Солнечная батарея из хлорофилла

Андреас Мершин и его коллеги из Массачусетского технологического института построили опытные батареи на основе светособирающего комплекса биологических молекул – фотосистемы I (PS-I). Она была взята у цианобактерии thermosynechococcus elongates.

Под обычным солнечным светом ячейки показали напряжение холостого хода в 0,5 вольта, удельную мощность 81 микроватт на квадратный сантиметр и плотность фототока в 362 мкА/см². Это, по уверению изобретателей, в 10 тысяч раз выше, чем у любой показанной ранее биофотовольтаики, основанной на натуральных фотосистемах.

Фотосистемы являются важными компонентами комплексов, отвечающих за фотосинтез в растениях и сине-зеленых водорослях. Они состоят из нескольких вариаций хлорофилла и сопутствующих молекул – протеинов, липидов и коэнзимов. Общее число молекул в таком наборе – до двух с лишним сотен.
КПД полученных батарей составил всего лишь около 0,1 процента. Тем не менее создатели диковинки считают ее важным шагом на пути массового внедрения солнечной энергетики в быт. Ведь потенциально такие устройства могут производиться с низкими затратами.
В идеале биологические батареи могли бы делать сами потребители у себя дома, пользуясь недорогими химреактивами, а также мусором с участка или фермы.

– Вы сможете использовать в качестве сырья все зеленое, даже скошенную траву, – прогнозирует Мершин.

Авторы нового преобразователя считают, что опыт с его построением может быть повторен даже в колледже или школе с более-менее развитой химической лабораторией. А в дальнейшем инструкцию по сборке «фотогальванической ячейки из травы» можно будет поместить на одной страничке, причем отразить практически без слов, одними картинками.
Упрощение всех этапов создания такой батареи – основная заслуга изобретателей. Ранее для концентрации молекул PS-I применялись центрифуги, но команда Андреаса предложила альтернативу – недорогие мембраны.
Никаких специальных лабораторных условий для их применения не нужно.

– Состав может быть очень грязный, и он все еще будет работать, так его спроектировала природа, – рассказывает исследователь. – Природа работает в грязной среде, это результат миллиардов экспериментов на протяжении миллиардов лет.

После ряда усовершенствований КПД «травяных батарей» можно поднять до 1‑2 процентов, и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень.
Опытные фотоэлектрические ячейки представляют собой сэндвич из пары слоев стекла, тонких проводящих покрытий (оксид олова, легированный фтором или индием), строительных лесов из диоксида титана или оксида цинка и смеси бактериального фотоулавливающего комплекса PS-I со стабилизирующим его пептидным набором A6K. Пространство между листами заполнено еще и электролитом, содержащим ионы кобальта.
Для того чтобы добиться выдающихся параметров прибора, ученым пришлось решить ряд проблем.
Дело в том, что опыт явился развитием работы, начатой еще восемь лет назад молекулярным биологом Шугуаном Чжаном из того же института.

Предыдущие ячейки, заимствовавшие фотосистемы у растений или бактерий, могли нормально работать только под концентрированным светом лазера, то есть в узком диапазоне длин волн.
Второй недостаток прежних вариантов «живой батареи» – для их изготовления были необходимы дорогие химические вещества и современное оборудование лаборатории.

Третья важная проблема – надежная и долговременная стабилизация извлеченных из растений молекулярных комплексов. Вне клетки PS-I существует недолго. Но сотрудники института разработали набор поверхностно активных пептидов, способных обволакивать систему PS-I, сохраняя ее на большой срок.
Наконец, было еще одно давнее препятствие: фотосистема повреждалась от ультрафиолетового излучения. Но эту преграду удалось преодолеть в ходе решения другой задачи – повышения эффективности сбора света.
Комплексы PS-I ученые высеивали не на гладкой подложке, как это было в прежних экспериментах, а на поверхности с огромной эффективной площадью.
В роли такой основы выступили губка из диоксида титана (толщиной 3,8 микрометра и с размером пор в 60 нанометров) и плотный «лес» стержней из оксида цинка (с высотой в несколько микрометров и диаметром в доли микрометра).
Оба варианта фотоанода показали сходные результаты. Причем они не только позволили заметно увеличить число молекул хлорофилла, выставленных под свет, но и отчасти защитили комплексы PS-I от ультрафиолетовых лучей. Ведь оба материала являются хорошими их поглотителями.

Кроме того, титановая наногубка и цинковый нанолес сыграли роль каркаса и выполнили функцию переносчика электронов. А на PS-I возлагалась задача сбора света, его усвоения и разделения зарядов, аналогично тому, как это происходит в клетках.

Между прочим, ранее ученые немало времени потратили на развитие еще одного специфического направления в солнечной энергетике. Это – элементы на сенсибилизированных красителях. Последние не используют биологические фотосистемы буквально, но зато пытаются их копировать.

Пока рано говорить, какой вариант солнечных батарей окажется более оправдан. Тем не менее в нынешнем проекте принимал участие Михаэль Гретцель из лаборатории фотоники и интерфейсов Швейцарского политехнического института, известный как создатель рекордной батареи на красителях.

Возможно, что вместо копирования природных светоулавливающих комплексов выгоднее окажется извлекать концентрат нужных молекул из листьев. Есть и еще более яркая идея – подключать подобные живые генераторы почти напрямую в сеть.
 

Евгений ХРУСТАЛЕВ