Fotosynteesi tehostamaan aurinkokennoja

Suhteellisen uudenlainen puolijohde, joka on kerrostettu peilimäisen rakenteen päälle, voi jäljitellä tapaa, jolla kasvien lehdet siirtävät energiaa auringosta suhteellisen pitkiä matkoja ennen kuin sitä käytetään polttoaineiksi kemiallisiin reaktioihin. Lähestymistapa saattaa jonain päivänä parantaa aurinkokennojen tehokkuutta.

"Energian kuljetus on yksi tärkeimmistä vaiheista aurinkoenergian keräämisessä ja muuntamisessa aurinkokennoissa", sanoo Michiganin yliopiston tutkijatohtori Bin Liu.

"Loimme rakenteen, joka tukee hybridiä valo-aine seostiloja mahdollistaen tehokkaan ja poikkeuksellisen pitkän matkan energiansiirron."

Yksi vaihe, jossa aurinkokennot menettävät energiaa, on vuotovirrat, jotka syntyvät valottomalla alueella eri puolijohdetyyppien liitosalueella.

Luonto minimoi tällaiset fotosynteesin häviöt suurilla valoa keräävillä "antennikomplekseilla" kloroplasteissa ja paljon pienemmillä "reaktiokeskuksilla", joissa elektronit ja aukot erotetaan käytettäväksi sokerintuotannossa. Eksitoneja on kuitenkin erittäin vaikea kuljettaa pitkiä matkoja puolijohteissa.

Liu selittää, että fotosynteettiset kompleksit pystyvät hallitsemaan eksitonikuljetusta erittäin järjestäytyneiden rakenteidensa ansiosta, mutta ihmisen valmistamat materiaalit ovat tyypillisesti liian epätäydellisiä.

Uusi laiterakenne kiertää tämän ongelman muuntamatta fotonit eksitoneiksi - siten ne säilyttävät valonomaiset ominaisuutensa fotoni-elektroni-aukko yhdistelmässä eli polaritonissa. Polaritonisessa muodossa sen valonomaiset ominaisuudet mahdollistavat energian nopeasti ylittää suhteellisen suuret 0,1 millimetrin etäisyydet, mikä on jopa kauempana kuin etäisyydet, joita eksitonit kulkevat lehtien sisällä.

Ryhmä loi polaritonit kerrostamalla ohuen, valoa absorboivan puolijohteen peiliä muistuttavan fotonirakenteen päälle ja valaisemalla sen sitten. Tämä osa laitteesta toimii kuten kloroplastinen antennikompleksi, joka kerää valoenergiaa suurelta alueelta. Peilimäisen rakenteen avulla puolijohde suppiloi polaritonit ilmaisimeen, joka muutti ne sähkövirraksi.

"Tämän järjestelyn etuna on, että sillä on potentiaalia parantaa huomattavasti tavanomaisten aurinkokennojen sähköntuotannon tehokkuutta, kun valoa keräävät ja varauksen erottavat alueet ovat rinnakkain samalla alueella", sanoo tutkimusta johtanut professori Stephen Forrest.

Vaikka tiimi tietää, että energian kuljetus tapahtuu heidän järjestelmässään, he eivät ole täysin varmoja siitä, että energia liikkuu jatkuvasti polaritonin muodossa. Voi olla, että fotoni surffailee eksitonien sarjana matkalla ilmaisimeen.

He jättävät tämän perustavanlaatuisen yksityiskohdan tulevaan työhön, samoin kuin kysymyksen siitä, kuinka rakentaa tehokkaita valonkeräyslaitteita, jotka hyödyntävät fotosynteesiä muistuttavaa energiansiirtoa.

Aiheesta aiemmin:

Kuumia kantajia keräten

Keinotekoiset lehdet tuottavat kaasua ja nesteitä