模拟光合作用的生物材料提高了太阳能电池的性能

宾夕法尼亚州立大学副研究员Congcong Wu致力于研究可插入下一代太阳能电池以提高其效率的材料。钙钛矿太阳能电池是潜在的研究热点，因为它们有潜力提供比传统的基于硅的太阳能技术更高效，更便宜的替代产品。

用生物材料模拟光合作用的下一代太阳能电池可能给“绿色技术”一词赋予新的含义。国际研究团队称，在一系列的实验室测试中，将钙细菌视紫红质（bR）添加到钙钛矿太阳能电池中可提高该装置的效率。

“这些发现为开发更便宜，更环保的生物钙钛矿太阳能电池技术打开了大门，”宾州州立大学研究副总裁兼材料科学教授Shashank Priya说。“将来，我们可能会用相对便宜的天然材料来代替太阳能电池内的一些昂贵化学物质。”

钙钛矿太阳能电池以其独特的晶体结构而著称，该晶体结构擅长吸收可见光，由于其提供了比传统的基于硅的太阳能技术更高效，更便宜的替代方案，因此受到了广泛的研究。

最有效的钙钛矿太阳能电池可以将22％到23％的阳光转化为电能。研究人员发现，向钙钛矿型太阳能电池中添加bR蛋白可将设备的效率从14.5％提高到17％。他们在美国化学学会杂志ACS Applied Materials and Interfaces中报告了他们的发现。

该研究代表科学家首次表明，将钙钛矿型太阳能电池中添加的生物材料具有很高的效率。研究人员说，未来的研究可能会产生更有效的生物钙钛矿材料。

这项研究的共同主要作者普里亚说：“以前的研究通过在太阳能电池结构内部混合某些蛋白质而达到了8％或9％的效率。”“但是没有什么东西能接近17％。这些发现非常重要。”

研究人员说，商用太阳能电池阵列由成百上千个独立的太阳能电池组成，因此即使效率略有提高也可以带来真正的节省。

模仿自然

利用自然，研究人员试图通过福斯特共振能量转移（FRET）（一种在一对光敏分子之间进行能量转移的机制）来进一步改善钙钛矿太阳能电池的性能。

东北大学和哈佛大学波士顿儿童医院的教授，该研究的第一作者Renugopalakrishnan Venkatesan说：“ FRET机制已经存在了很长时间。”“它似乎是光合作用的基础，并且可以在诸如能量的无线传输之类的技术中找到，甚至在动物世界中也可以作为一种通信机制被发现。我们正在使用这种机制来尝试创建一个具有生物启发性系统的世界，这些系统具有超越无机或有机分子的潜力。”

bR蛋白和钙钛矿材料具有相似的电性能或带隙。通过弥补这些差距，科学家们推测它们可以通过FRET机制在钙钛矿型太阳能电池中实现更好的性能。

哥伦比亚大学的博士生Subhabrata Das说：“太阳能电池通过吸收光能或光子分子并创建电子-空穴对来工作。”“通过向相反的方向发送电子和空穴，太阳能电池产生的电流会转化为电能。”

但是，一定百分比的电子-空穴对会重新结合，从而降低了产生的电流量。科学家说，将bR蛋白混入钙钛矿太阳能电池中有助于电子-空穴对更好地穿过该器件，从而减少了重组损失并提高了效率。

研究人员说，这些发现可能会带来更大的后果，从而导致设计其他混合装置，在这些混合装置中人造和生物材料可以协同工作。

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参考：Subhabrata Das，Congcong Wu，Zhaoning Song，Yuchen Hou，Rainer Koch，Ponisseril Somasundaran，Shashank Priya，Bernardo Barbiellini和Renugopalakrishnan Venkatesan撰写的“细菌视紫红质提高钙钛矿型太阳能电池的效率”，2019年7月23日，ACS应用材料和界面。
10.1021 / acsami.9b06372

芬兰拉彭兰塔大学教授Bernardo Barbiellini也是该研究的共同主要作者。

宾夕法尼亚州立大学的副研究教授吴聪聪和材料科学与工程专业的研究生Yuchen Hou也来自宾夕法尼亚州立大学。这项研究的其他研究人员是托莱多大学的宋兆宁；德国奥尔登堡大学Rainer Koch；和哥伦比亚大学的Ponisseril Somasundaran。

空军科学研究所和美国能源部资助了这项研究。