麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法，通过利用微小病毒的服务在微观层面上进行详细的装配工作，显着提高太阳能电池的功率转换效率。
在太阳能电池中，太阳光照射到光捕获材料，使其释放可被利用的电子以产生电流。麻省理工学院的新研究在线发表在“ 自然纳米技术 ”杂志上，其研究结果表明，碳纳米管 - 纯碳的微观空心圆柱体 - 可以提高太阳能电池表面电子收集的效率。
然而，先前使用纳米管的尝试受到两个问题的阻碍。首先，碳纳米管的制造通常产生两种类型的混合物，其中一些作为半导体(有时允许电流流动，有时不作用)或金属(其作用类似于电线，允许电流容易地流动)。这项新研究首次表明，这两种类型的影响往往不同，因为半导体纳米管可以提高太阳能电池的性能，但金属纳米管具有相反的效果。其次，纳米管倾向于聚集在一起，这降低了它们的有效性。
这就是病毒拯救的地方。研究生Xiangnan Dang和Hyunjung Yi - 与WM Keck能源教授Angela Belcher和其他几位研究人员一起工作 - 发现一种基因工程版的病毒M13，通常感染细菌，可以用来控制纳米管在表面上的排列，使管子分开，这样它们就不会使电路短路，并使管子保持分开，这样它们就不会结块。
研究人员测试的系统使用了一种称为染料敏化太阳能电池的太阳能电池，这种太阳能电池是一种重量轻且价格低廉的类型，其中活性层由二氧化钛组成，而不是传统太阳能电池中使用的硅。但研究人员表示，同样的技术也可以应用于其他类型，包括量子点和有机太阳能电池。在他们的测试中，添加病毒构建的结构将功率转换效率从8%提高到10.6% - 几乎提高了三分之一。
即使病毒和纳米管仅占成品细胞重量的0.1%，也会发生这种显着的改善。“一点生物学有很长的路要走，”贝尔彻说。通过进一步的工作，研究人员认为他们可以进一步提高效率。
这些病毒用于帮助改善将太阳光转化为电能的过程中的一个特定步骤。在太阳能电池中，第一步是使光的能量从太阳能电池材料(通常是硅)中敲出电子; 然后，这些电子需要向集电极汇集，从中可以形成流向电池充电或为设备供电的电流。之后，它们返回到原始材料，循环可以再次开始。新系统旨在提高第二步的效率，帮助电子找到自己的方式：将碳纳米管添加到电池中“为集电器提供了更直接的途径，”Belcher说。
病毒实际上在此过程中执行两种不同的功能。首先，它们具有称为肽的短蛋白质，其可以紧密结合碳纳米管，将它们保持在适当位置并使它们彼此分离。每种病毒可容纳5到10个纳米管，每个纳米管由约300个病毒的肽分子牢固地固定在适当位置。此外，这种病毒被设计成在每个纳米管上产生二氧化钛(TiO2)涂层，这是染料敏化太阳能电池的关键成分，使二氧化钛靠近带有纳米管的线状纳米管。电子。
这两种功能由同一种病毒连续进行，病毒的活动通过改变其环境的酸度从一种功能“切换”到另一种功能。Belcher说，这种切换功能是本研究中首次证明的重要新功能。
此外，病毒使纳米管可溶于水，这使得可以使用在室温下工作的水基工艺将纳米管结合到太阳能电池中。
Notre Dame大学化学与生物化学教授Prashant Kamat在染料敏化太阳能电池方面做了大量工作，他表示虽然其他人试图使用碳纳米管来提高太阳能电池的效率，但“早期研究中观察到的改进是微不足道的” ，“麻省理工学院团队使用病毒装配方法的改进令人印象深刻”。
“病毒模板组装可能使研究人员能够在TiO2纳米粒子和碳纳米管之间建立更好的接触。这种与TiO2纳米粒子的紧密接触对于快速驱走光生电子并将其有效传输到收集中至关重要。电极表面。“
Kamat认为这一过程很可能会产生可行的商业产品：“染料敏化太阳能电池已在，韩国和商业化，”他说。如果通过病毒过程添加碳纳米管可以提高效率，“该行业可能会采用这种方法。”
她说，Belcher和她的同事以前曾使用同一病毒的不同工程版本来提高电池和其他设备的性能，但用于提高太阳能电池性能的方法却截然不同。
Belcher说，由于该过程只需在标准的太阳能电池制造过程中添加一个简单的步骤，因此应该很容易调整现有的生产设施，因此应该可以相对快速地实施。
研究小组还包括拜耳化学工程教授Paula Hammond; Michael Strano，Charles(1951)和Hilda Roddey职业发展化学工程副教授; 和其他四名研究生和博士后研究人员。这项工作由公司Eni通过麻省理工学院能源倡议的太阳能期货计划资助。