菠菜-生物混合太阳能电池的新成分

科学家将菠菜的光合作用蛋白与硅结合在一起，该蛋白将光转换为电化学能，并在新的“生物混合”太阳能电池中使用了硅。

“这种结合产生的电流水平比我们将蛋白质沉积在各种类型的金属上所能达到的电流水平高将近1,000倍。范德比尔特大学化学副教授戴维·克利夫尔（David Cliffel）与化学和生物分子工程学教授凯恩·詹宁斯（Kane Jennings）合作进行了该项目。

“如果我们能够继续保持电压和电流水平不断提高的当前轨迹，那么我们将在三年内达到成熟的太阳能转换技术的范围。”

这项研究报告于9月4日在线发表在《先进材料》杂志上，范德比尔特大学已申请了该组合的专利。

研究人员的下一步是使用这种新设计来构建功能正常的PS1-硅太阳能电池。詹宁斯（Jennings）获得了美国环境保护署（EPA）奖，该奖将使一群工程学本科生能够制造原型。这些学生获得了4月份全国可持续设计博览会的奖项，该奖项基于他们使用了两年历史的设计制作的太阳能电池板。

詹宁斯估计，采用新设计后，一块两英尺长的面板在一伏特的电压下至少可以输出100毫安的电流，足以为许多不同类型的小型电气设备供电。

40多年前，科学家发现，从菠菜等植物中提取的一种与光合作用有关的蛋白质称为光系统1（PS1），其继续发挥功能。然后他们确定PS1将太阳光转换为电能的效率接近100％，而人造设备的转换效率不到40％。这促使世界各地的各个研究小组开始尝试使用PS1创建更高效​​的太阳能电池。

这些生物杂交细胞的另一个潜在优势是，它们可以由便宜且容易获得的材料制成，这与许多需要稀有和昂贵材料（如铂或铟）的微电子设备不同。大多数植物使用与菠菜相同的光合蛋白。实际上，詹宁斯在另一个研究项目中正在研究一种从葛根中提取PS1的方法。

自最初发现以来，进展缓慢但稳定。研究人员已经开发出从叶片中有效提取PS1的方法。他们已经证明，可以将其制成暴露在阳光下会产生电流的细胞。然而，这些生物混合电池每平方英寸可以产生的功率量已经大大低于商业光伏电池的功率量。

另一个问题是寿命。仅几周后，一些早期测试电池的性能就下降了。但是，在2010年，范德比尔特（Vanderbilt）团队将PS1电池工作了9个月，而性能没有下降。

“自然知道如何做到这一点非常出色。例如，在常绿乔木中，PS1可持续使用数年。” Cliffel说。“我们只需要自己弄清楚该怎么做。”

掺杂硅

研究人员报告说，他们的PS1 /硅组合在0.3伏特下每平方厘米产生近一毫安（850微安）的电流。这比以前从生物杂交细胞获得的最佳水平高出近两倍半。该组合之所以如此有效的原因是，硅基板的电性能已经过调整以适合PS1分子的电性能。

这是通过在硅中注入带电原子以改变其电特性来完成的：这一过程称为“掺杂”。在这种情况下，该蛋白质在掺有正电荷的硅中表现出色，而在掺负的硅中则表现不佳。

为了制造这种设备，研究人员从菠菜中提取PS1到水溶液中，然后将混合物倒在p掺杂硅片的表面上。然后他们将晶圆放入真空室中，以蒸发掉水分，留下一层蛋白质膜。他们发现最佳厚度约为1微米，约100个PS1分子厚。

蛋白质比对

当PS1蛋白质暴露在光下时，它会吸收光子中的能量，并利用它释放电子并将其传输到蛋白质的一侧。这会产生带正电荷的区域，称为空穴，移至蛋白质的另一侧。

在一片叶子中，所有PS1蛋白都对齐。但是在设备的蛋白质层中，单个蛋白质是随机定向的。先前的建模工作表明这是一个主要问题。

当蛋白质沉积在金属基质上时，沿一个方向取向的蛋白质提供金属收集的电子，而沿相反方向取向的蛋白质将电子从金属中拉出，以填充它们产生的空穴。结果，它们会产生正向和负向电流，它们相互抵消，从而留下很小的净电流。

p掺杂的硅消除了此问题，因为它允许电子流入PS1，但不会从蛋白质中接受它们。以这种方式，电子沿共同方向流过电路。

詹宁斯说：“这不如蛋白质比对好，但比我们以前要好得多。”

研究生加布里埃尔·勒布朗（Gabriel LeBlanc），陈恭平和埃文·​​吉兹（Evan Gizzie）为这项研究做出了贡献。

该研究得到了美国国家科学基金会和科学发展研究公司的Scialog计划的支持。

通过。大卫·索尔兹伯里（David Salisbury）