Группа исследователей из Норвежского университета науки и технологий (NTNU) и исследовательского центра SINTEF изучают, как можно использовать водоросли для создания солнечных элементов следующего поколения. Объясняет Матиас Ааре Мэхлум, студент магистратуры по энергетике и экологии в NTNU.
Водоросли зависят от фотосинтеза, как и растения. Фотоны тратятся на создание органических соединений и кислорода из углекислого газа, необходимых для жизни водорослей. Диатомовые водоросли, основная группа водорослей и один из наиболее распространенных видов фитопланктона, производят почти четверть кислорода, которым мы дышим. Эволюция сформировала водоросли, чтобы они стали максимально эффективными в том, что у них получается лучше всего, — в использовании энергии солнечного света.
Из 100 000 различных видов небольшая группа исследователей из NTNU и SINTEF выбрала Coscinodiscus wailesii, одноклеточную диатомовую водоросль с экстраординарными способностями к фотосинтезу, для изучения того, как ее способность преобразовывать солнечный свет может быть использована для солнечных элементов, которые в лучшем случае могут преобразовывать около 30% солнечной энергии. солнечному свету, которому они подвергаются. Этот конкретный вид был одним из ряда, изначально выбранных как имеющий оптимальную клеточную структуру для фотосинтеза.
С помощью электронных микроскопов команда обнаружила, что поверхность водорослей спроектирована таким образом, чтобы пропускать как можно больше света в свою структуру и удерживать его там. Было обнаружено, что диатомовые водоросли наделены стеклянной многослойной кремниевой оболочкой, а симметричные узоры и крошечные поры создают «цилиндры», в которых солнечный свет задерживается в организме.
Золотые копии
Нанотехнологии используются для создания копий раковин этих водорослей, и в настоящее время тестируется ряд различных материалов для изготовления форм. Гибкие характеристики золота делают его одним из многообещающих кандидатов: кусок золота подвергается воздействию электронного луча, и отдельные атомы золота испаряются на поверхность раковин водорослей, создавая таким образом копию золотой тонкой пленки.
Однако физика того, как водоросли поглощают солнечный свет, еще полностью не изучена. Здесь на помощь приходит компьютерное моделирование. Структурные элементы различаются по размеру, и к новым моделям применяются сложные алгоритмы, чтобы раскрыть секреты водорослей и точно определить, какие характеристики обеспечивают высокие показатели эффективности.
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы
Ключевой вопрос исследования заключается в том, как эти знания можно применить для создания солнечных элементов следующего поколения, которые будут более эффективными и менее дорогими. Один из наиболее многообещающих подходов на сегодняшний день — нанесение водорослей на сенсибилизированные красителем солнечные элементы.
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы относятся к группе тонкопленочных солнечных элементов. Они не основаны на полупроводниках с PN-переходом, как большинство обычных солнечных элементов. Молекулярный краситель прикрепляется к слою диоксида титана на стеклянной или пластиковой подложке. Затем краситель поглощает фотоны при воздействии света, что «возбуждает» электроны течь в титан и генерировать электрический ток.