Американские физики создали гибридный источник электроэнергии на основе фотосинтезирующего белка PS1 и кремниевой солнечной батареи, превосходящий по эффективности аналогичные разработки в 2,5 раза, и опубликовали «инструкцию» по его сборке в статье в журнале Advanced Materials.
«Эта комбинация вырабатывает ток, сила которого в тысячу раз превосходит то, что мы получали, покрывая белком пластинки из различных металлов. Если мы продолжим двигаться по текущей траектории, постепенно увеличивая силу тока и его напряжение, мы достигнем уровня полноценной технологии по преобразованию энергии солнца в электричество через три года», – пояснил руководитель группы ученых Дейвид Клиффел (David Cliffel) из университета Вандербильта в Нэшвилле (США).
Клиффел и его коллеги экспериментировали с белком фотосистема-I (PS1) – сложного соединения из пигмента хлорофилла и нескольких белковых цепочек. Зеленые растения, водоросли и бактерии используют его для захвата фотонов и преобразования их энергии в свободные электроны, которые впоследствии расходуются при синтезе питательных веществ.
В последние годы ученые пытаются приспособить этот белок для производства электричества или других задач. Так, в декабре 2011 года американские химики использовали PS1 для создания «водородной фабрики», запасающей энергию света в молекулах водорода. Через четыре месяца израильские физики адаптировали этот белок для работы в составе батарейки, использующей свет и воду для производства электричества.
Авторы статьи обнаружили, что эффективность работы фотосистемы-I сильно зависит от проводящих свойств подложки, к которой были прикреплены молекулы белкового комплекса. Физики перебрали различные варианты материалов для подложки, в том числе металлы и чистый кремний.
Лучше всего себя показал кремний с большим числом примесей в виде атомов бора или алюминия, который относится к группе полупроводников так называемого p-типа. Атомы бора и алюминия, интегрированные в кристалл кремния, создают области с избыточным положительным зарядом, так называемые «дырки», улучшающие электропроводность кремния.
Подобрав подходящий материал, ученые собрали экспериментальную «зеленую» солнечную батарею. Для этого они вырастили листья шпината, а извлекли из них белок PS1 и нанесли его раствор на пластинку кремния. Затем этот «бутерброд» помещался в вакуумную камеру для удаления молекул воды с поверхности белковой пленки.
По словам физиков, один квадратный сантиметр такого покрытия вырабатывает около милливольта электричества с напряжением в 0,3 вольт, что превосходит мощность предыдущих разработок в 2,5-3 раза. Как утверждают Клиффел и его коллеги, дальнейшее развитие этой технологии позволит использовать такие «зеленые» батареи для зарядки или питания мобильных электронных устройств.