Ученые разработали стабильную солнечную батарею на био-основе

Исследователи Рурского университета Бохума недавно объявили о создании солнечной батареи на биологической основе, которая способна генерировать непрерывный электрический ток мощностью несколько нановатт на квадратный сантиметр. Новый подход позволяет избежать повреждения секционированных фотосинтезирующих клеток, – проблем, на которую натыкались все предыдущие попытки использовать природную «электростанцию».

Несмотря на то, что до сих пор данная технология находится на очень ранней стадии развития, ученым уже стали понятны все преимущества солнечных батарей на биологической основе перед фотоэлектрическими системами, в частности более высокая эффективность преобразования и независимость от кремния и дорогих редкоземельных металлов. С другой стороны, солнечные биосистемы, разработанные до сих пор, не отличаются устойчивостью и не производят много энергии.

Как считают ученые из Рурского университета, все предыдущие неудачи связаны с тем, что для создания таких солнечных батарей использовался только одна из стадий так называемой Z-схемы.

Z-схема представляет собой процесс фотовосстановления, в котором световая энергия преобразуется в химическую энергию в два этапа. Когда растение, водоросли или цианобактерии поглощают световые фотоны, электрон в фотосистеме 2 (PS2) возбуждается и перепрыгивает на более высокий энергетический уровень. Этот нестабильный электрон переходит через ряд окислительно-восстановительных реакций вниз по транспортной цепи электронов перед входом в фотосистему 1 (PS1).

Ученые решили интегрировать фотосистемы PS1 и PS2 в один фотоэлектрический элемент, но с разделением зарядов между фотосистемами с тем, чтобы создать анод и диод, которые под воздействием света генерируют непрерывный электрический ток через окислительно-восстановительный гидрогель.

Для достижения этой цели, исследователи изолировали две фотосистемы в термофильных цианобактериях, обитающих в горячих источниках. Эти цианобактерии, благодаря выживаемости в экстремальных условиях окружающей среды, делают содержащиеся в них фотосистемы относительно стабильными. Затем фотосистемы встраиваются в окислительно-восстановительный гидрогель с разными потенциалами. В результате получается система, которая генерирует электричество, а не преобразовывает углекислый газ в кислород и биомассу.

Такой подход позволит преодолеть проблему быстрой деградации клеток, с которой столкнулись ученые из университета Стэнфорда при разработке похожих систем.