ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Solarna energija na viruse - korištenjem virusa do poboljšanja solarnih ćelija

U solarnim ćelijama sunčeva svjetlost pada na materijal koji upija svjetlost, uzrokujući oslobađanje elektrona koji se mogu iskoristiti za proizvodnju električne struje. Novi istraživanje na poznatom američkom institutu MIT, objavljeno u časopisu Nature Nanotechnoly, temelji se na otkrićima da ugljikove nanocjevčice - mikroskopski šuplji cilindri od čistog ugljika - mogu poboljšati učinkovitost prikupljanja elektrona na površini solarnih ćelija. 

Prethodni pokušaji da se koriste nanocjevčice, međutim, bili su osujećeni zbog dva problema. Prvo, proizvodnja ugljikovih nanocjevčica općenito dovodi do mješavine dvije vrste, od kojih neki djeluju kao poluvodiči (koji ponekad dopuštaju protok električne struje, ponekad ne) ili metali (koji se ponašaju kao žice, dopuštajući laki protok struje). Nova istraživanja su po prvi put pokazala da se učinci ovih dviju vrsta materijala razlikuju, jer poluvodičke nanocijevi mogu poboljšati rad solarnih ćelija, ali one metalne imaju suprotan učinak. Drugo, nanocjevčice imaju tendenciju da se gomilaju zajedno, što smanjuje njihovu učinkovitost.

A to je mjesto gdje virusi dolaze da spase stvar. Studenti Xiangnan Dang i Hyunjung Yi – koji rade s Angelom Belcher i nekoliko drugih istraživača - otkrili su da se genetski modificirana verzija virusa nazvana M13, kojim se obično inficiraju bakterije, može koristiti za kontrolu rasporeda nanocijevi na površini, čuvajući cijevi odvojene tako da ne mogu napraviti kratki spoj niti se gomilati.

Znanstvenici su testirali tip solarne ćelije poznate kao termo-osjetljiva solarna ćelija. To je lagana i jeftina ćelija kod koje se aktivni sloj sastoji od titan dioksida, umjesto silicija koji se koristi u konvencionalnim solarnim ćelijama. No, ista se tehnika mogla primijeniti i na druge vrste, uključujući i kvantne i organske solarne ćelije, kažu istraživači. U svojim su testovima, dodajući strukture izgrađene pomoću virusa, poboljšali efikasnost pretvorbe energije sa 8 na 10,6 % - što je poboljšanje gotovo za jednu trećinu.

Ovo se dramatično poboljšanje odvija iako virusi i nanocijevi čine samo 0,1 % mase gotovih ćelija. "Malo biologije vodi daleko", kaže Belcher. Uz daljnji rad, znanstvenici misle da mogu podići učinkovitost čak i više.
Virusi se koriste kao pomoć u poboljšanju jednog određenog koraka u procesu pretvaranja sunčeve svjetlosti u električnu energiju. U solarnoj ćeliji, prvi je korak prema energiji svjetlosti izbiti i osloboditi elektrone iz materijala solarnih ćelija (najčešće silicija), a zatim ih se treba usmjeriti prema kolektoru, odakle se može dobiti struja za punjenje baterija ili naponskog uređaja. Nakon toga, elektroni se vraćaju na izvorni materijal, pa ciklus može započeti ponovno. Novi sustav je namijenjen za poboljšanje učinkovitosti drugog koraka, koji pomaže da elektroni pronađu svoj put. Dodavanjem ugljikovih nanocijevi na ćeliju "pruža se izravniji put do strujnog kolektora ", kaže Belcher.

Virusi zapravo izvode dvije različite funkcije u tom procesu. Prvo, oni imaju kratke proteine zvane peptidi koji se mogu vezati čvrsto na ugljikove nanocijevi, da ih drže na mjestu i održe odvojene jedne od drugih. Svaki virus može držati 5 do 10 nanocijevi, od kojih se svaka održava čvrsto na svom mjestu pomoću 300 peptidnih molekula virusa. Osim toga, virus služi i za proizvodnju premaza titan dioksida (TiO2), ključnog sastojka za termo-solarne ćelije, preko svake od navedenih nanocijevi. Isti virus obavlja te dvije funkcije u slijedu, a njegova se djelatnost "prebacuje" od jedne funkcije na drugu promjenom kiselosti okruženja. Ova značajka prebacivanja je važna nova mogućnost koja je pokazana po prvi put u ovom istraživanju, kaže Belcher.

Osim toga, virusi čine nanocijevi topivima u vodi, što omogućuje da se nanocijevi uključe u izradu solarnih ćelija koristeći se procesom zasnovanim na vodi koji radi na sobnoj temperaturi. Prashant Kamat, profesor kemije i biokemije na američkom sveučilištu Notre Dame, koji se u velikoj mjeri bavio termo-osjetljivim solarnim ćelijama, kaže da dok su drugi pokušali iskoristiti ugljikove nanocijevi za poboljšanje učinkovitosti solarnih ćelija, te su "poboljšanja kod tih ranijih studija marginalna" dotle su poboljšanja tima sa MIT-a primjenom metode virusa "impresivna".

"Vrlo je vjerojatno da je tehnologija s predloškom virusa omogućila istraživačima da se uspostavi bolji kontakt između TiO2 nanočestica i ugljikovih nanocijevi. Takvi bliski kontakt s nanočesticama TiO2 je bitan za brzo odvođenje foto-elektrona i učinkovito transportiranje na elektrodu kolektora." Kamat misli da ovaj proces može dovesti do komercijalnog proizvoda: "Termo-osjetljive solarne ćelije već su komercijalizirane u Japanu, Koreji i Tajvanu", kaže on. „Ako dodavanje ugljikovih nanocijevi putem virusa može poboljšati njihovu efikasnost, industrija će vjerojatno usvojiti takve procese." Belcher i njezini kolege su prethodno koristili različite verzije istog virusa kako bi se poboljšala učinkovitost baterije i drugih uređaja, ali ova metoda koja se koristi za poboljšanje rada solarnih ćelija je sasvim drugačija, kaže ona.

Budući da bi proces dodao samo jedan jednostavan korak u standardnom procesu proizvodnje solarne ćelije, to bi trebalo biti vrlo lako prilagoditi postojeće proizvodne objekte što bi omogućilo relativno brzu implementaciju ove tehnologije, kaže Belcher. Istraživački tim također čine Paula Hammond, profesorica kemijskog inženjerstva, Michael Strano i  Hilda Roddey izvanredni profesori kemijskog inženjerstva, te još četiri studenta kao i istraživači na postdoktorskom studiju. Rad je financirala talijanske tvrtka ENI putem programa MIT Energy Initiative's Solarna Futures Program.

Izvor: Science Daily

Podijeli.