ENGINEERINGNET -- Als dat wordt toegepast in een zonnecel ontstaat een zogeheten biohybride zonnecel, die substantieel meer elektrische stroom produceert.
"Deze combinatie levert bijna duizend maal meer stroom dan we konden halen met de depositie van het eiwit op verschillende soorten metalen. Het geeft ook een bescheiden spanningsverhoging", zegt chemieprofessor David Cliffel, die in dit project samenwerkte met Kane Jennings, hoogleraar in chemische en biomoleculaire engineering.
"Als we de huidige lijn van stroom- en spanningsverhoging kunnen continueren, hebben we over drie jaar een volwassen solarconversietechnologie."
De volgende stap van de onderzoekers is het bouwen van een functionerende zonnecel met het PS1-eiwit. Een paneel van zo'n 60 cm zal dan naar schatting een stroom leveren van ten minste 100 mA bij 1 V.
Al meer dan 40 jaar geleden ontdekten wetenschappers dat PS1 (Photosystem 1), een van de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de fotosynthese, blijft functioneren als het wordt onttrokken aan planten.
Zij stelden vast dat PS1 zonlicht omzet in elektrische energie, met een rendement van bijna 100%. Dat inspireerde onderzoeksteams over de hele wereld om uit te zoeken of PS1 gebruikt kan worden om efficiënte zonnecellen te maken.
Een ander potentieel voordeel van deze biohybride cellen is dat ze kunnen worden gemaakt van goedkope en al beschikbare materialen, in tegenstelling tot veel micro-elektronische systemen waarvoor zeldzame en dure materialen als platina en indium nodig zijn.
De meeste planten hebben hetzelfde fotosynthese-eiwit als spinazie. Sinds de oorspronkelijke ontdekking is er langzaam maar zeker vooruitgang geboekt. Er zijn manieren ontwikkeld om PS1 uit bladeren te halen en om er cellen met te maken die stroom leveren als ze worden belicht.
Maar het vermogen per vierkante centimeter bleef toch ver achter bij dat van commerciële zonnecellen.
Een ander uitdaging bleek de levensduur. De eerste testcellen hielden het maar een paar weken uit. Maar in 2010 kon het Vanderbilt team een PS1-cel 9 maanden laten werken zonder dat de prestaties terugliepen.
"De natuur slaagt daar veel beter in. In groenblijvende bomen werkt PS1 jarenlang", zegt Cliffel. "We moeten uitzoeken hoe wij dat ook voor elkaar krijgen."
De onderzoekers van Vanderbilt melden dat hun PS1/silicium combinatie per vierkante centimeter bij een milliampère (850 microampère) levert bij 0,3 volt. Dat is bijna 2,5 maal meer dan de best presterende biohybride cel tot nu toe.
De reden waarom het zo goed gaat, is dat de elektrische eigenschappen van het siliciumsubstraat optimaal zijn aangepast aan de PS1-moleculen. Dat is gedaan door het doteren van positieve-ladingsatomen in het silicium; het eiwit werkt buitengewoon goed met positieve, en juist slecht met negatieve dotering.
Om de cel te maken losten de onderzoekers PS1 uit spinazie op in water. Die oplossing werd over de p-gedoteerde wafer gegoten en de wafer werd in een vacuümkamer geplaatst waar het water verdampt en een eiwitfilm achterblijft op het oppervlak van het silicium. Ze constateerde dat de optimale laagdikte ongeveer 1 micrometer is, ofwel 100 PS1-moleculen.
Als een PS1-eiwit wordt blootgesteld aan licht, absorbeert het de energie van de fotonen. Met die energie worden elektronen vrijgemaakt en getransporteerd naar één kant van het eiwit. Daardoor ontstaan positief geladen gebiedjes (gaten) die bewegen naar de andere kant van het eiwit. In een blad zijn alle PS1-eiwitten uitgelijnd.
Maar in de laag op het substraat zijn ze willekeurig georiënteerd. Dat bleek al eerder een groot probleem. Als de eiwitten zijn aangebracht op een metalen substraat lever ze, als ze in één richting zijn georiënteerd, elektronen die worden verzameld door het metaal. Maar als ze in verschillende richtingen zijn georiënteerd trekken ze juist elektronen uit het metaal om e geproduceerde gaten te vullen. Zo produceren ze dus positieve en negatieve stromen die elkaar vrijwel opheffen.
Met het p-gedoteerde silicium is dit probleem opgelost, want dat laat toe dat elektronen naar het PS1 stromen, maar het accepteert geen elektronen in de andere richting. Op die manier gaan de elektronen slechts in één richting door het circuit.
"Het is nog niet zo goed als de uitlijning in planten, maar het is veel beter dan wat we eerst hadden", zegt Jennings.
(bron: Engineers Online)
Foto Daniel Dubois/Vanderbilt University: Scheikundige David Cliffel, (rechts) in het lab met student Matt Casey.
