Forskare vid MIT har funnit ett sätt att uppnå betydande förbättringar i effektiviteten hos solceller. Genom att använda ett genetiskt modifierat virus kan effektiviteten öka med nästan en tredjedel.

I ovan figur består viruset M13 av en DNA-sträng knuten till en bunt av proteiner som kallas peptider – viruset beläggningsproteiner (de korkskruvade formerna i mitten) fäster vid kolnanorör (grå cylindrar) och hålla dem på plats. En beläggning av titandioxid (gula sfärer) fästa vid dye molekyler (rosa klot) omger bunten.
BILD: Matt Klug, Biomolecular Materials Group
 
I en solcell träffar solljus ett ”ljusskördande” material som då släpper ifrån sig elektroner vilket utnyttjas till att producera elektrisk ström. Den nya MIT-forskningen, som publiceras online denna vecka i tidskriften Nature Nanotechnology, bygger på upptäckter om att kolnanorör – mikroskopisk ihåliga cylindrar av rent kol – kan öka effektiviteten avseende elektroninsamlingen från en solcell yta.

Tidigare försök att använda nanorör har dock stött på två problem. Först själva utformningen av kolnanorören som i allmänhet producerar en mix av två typer av vilka vissa fungerar som halvledare (ibland tillåts en elektrisk ström att flyta, ibland inte) eller metaller (som fungerar som ledningar, så att strömmen kan löpa lätt). Den nya forskningen visade att effekterna av dessa två typer tenderar att vara olika, eftersom halvledande nanorör kan förbättra solcellernas prestanda, medan de metalliska ger motsatt effekt. För det andra tenderar nanorör att klumpa ihop sig vilket minskar dess effektivitet.

Och det är här virus kommer till undsättning. Doktorander Xiangnan Dang och Hyunjung Yi – som arbeta med Angela Belcher, WM Keck professor i energi och flera andra forskare – upptäckte att en genetiskt framställd version av ett virus som kallas M13, som normalt infekterar bakterier, kan användas för att styra placeringen av kolnanorören på en yta och hålla rören separata så att de inte kan ”kortsluta” kretsar, och hålla isär rören så att de inte klumpar ihop.

Systemet forskarna testade använde en typ av solcell som benämns ”dye-sensitized” solceller, en lätt och billig variant där det aktiva lagret består av titandioxid, snarare än kisel som används i konventionella solceller. Men samma teknik skulle kunna tillämpas på andra typer också, inklusive quantum-dot och organiska solceller, säger forskarna. I sina tester med att lägga till virusbaserade strukturer förbättrades effektiviteten i kraftomvandlingen till 10,6 procent från 8 procent – nästan en tredjedels förbättring, enligt MIT.

Denna dramatiska förbättring sker trots att virus och nanorör utgör endast 0,1 viktprocent av den färdiga cellen. "Lite biologi räcker långt," säger Belcher. Med ytterligare arbete tror forskarna att de kan förbättra effektiviteten ytterligare.

Dessa virus används för att förbättra ett visst steg i processen att omvandla solljus till elektricitet. I en solcell är det första steget att få ljusenergin att ”slå loss” elektroner från solcellsmaterialet (vanligtvis kisel), därefter måste elektronerna kanaliseras mot en kollektor från vilken de kan bilda en ström som laddar ett batteri eller ger kraft till en enhet. Efter det återvänder elektronerna tillbaka till det ursprungliga materialet, där cykeln kan börja om igen. Det nya systemet är avsett att effektivisera det andra steget och att hjälpa elektronerna finna sin väg: Att lägga till kolnanorören till cellen "ger en mer direkt väg till strömkollektorn," säger Belcher.

Virusen utför egentligen två olika funktioner i denna process. Först har de korta proteiner som kallas peptider och som hårt kan binda till kolnanorör, hålla dem på plats och hålla dem åtskilda från varandra. Varje virus kan hålla fem till tio nanorör, som alla hålls stadigt på plats med ungefär 300 av virusets peptidmolekyler. Dessutom var viruset konstruerat för att producera en beläggning av titandioxid (TiO2), en viktig ingrediens för dye-sensitized solceller, – över vart och ett av nanorören – och placerar titandioxid i närheten av de trådliknande nanorören som bär elektroner.

”De två uppgifterna utförs i en följd av samma virus, vars aktivitet "växlas" från den ena funktionen till nästa genom att ändra surheten i dess omgivning. Denna växlingsfunktion är en viktig ny funktion som har visats för första gången i den här forskningen,” säger Belcher.

Dessutom gör virus nanorör lösligt i vatten, vilket gör det möjligt att införliva nanorör i solcellen med en vattenbaserad process som fungerar i rumstemperatur.

Prashant Kamat, professor i kemi och biokemi vid Notre Dame University som har gjort ett omfattande arbete på dye sensitized solceller säger att medan andra har försökt att använda kolnanorör för att förbättra solcell effektivitet, "har de förbättringar observerats i tidigare studier var marginella ", medan de förbättringar medan MIT-teamet med dess metod med virusmontering är" imponerande ".

"Det är troligt att virusmallen med monteringen har gjort det möjligt för forskarna att skapa en bättre kontakt mellan TiO2 nanopartiklar och kolnanorör. En nära kontakt med TiO2 nanopartiklar är en förutsättning för att driva iväg fotogenererade elektroner snabbt och transportera dem effektivt till den insamlande elektrodens ytan. "

Kamat tycker att processen kan leda till en livskraftig kommersiell produkt: "dye sensitized solceller har redan kommersialiserats i Japan, Korea och Taiwan, säger han. Om tillskottet av kolnanorör via virusprocessen kan förbättra effektiviteten, "kommer branschen troligen att anta sådana processer."

Belcher och hennes kollegor har tidigare använt olika konstruerade versioner av samma virus för att förbättra prestanda hos batterier och andra enheter, men metoden som används för att förbättra solcellers prestanda är helt annorlunda, säger hon.

Eftersom processen bara lägger till ett enkelt steg till en standard tillverkningsprocess av solceller bör det vara ganska lätt att anpassa befintliga produktionsanläggningar och därmed bör det vara möjligt att genomföra det relativt snabbt, säger Belcher enligt ett pressmeddelande.

I forskargruppen ingår också Paula Hammond, the Bayer Professor of Chemical Engineering; Michael Strano, the Charles (1951) och Hilda Roddey Career Development Associate Professor of Chemical Engineering; och fyra andra graduate students och postdoctoral researchers. Arbetet har fonderats av det italienska företaget Eni genom the MIT Energy Initiative’s Solar Futures Program.

Filed under: Utländsk Teknik