Som visas i illustrationen ovan, hybridnanostrukturen innehåller molybden -diselenid (MoSe2) som bas, kärna-skal kadmiumselenid (CdSe)–zinksulfid (ZnS) kvantprickar (QDs) på utsidan, och allofykocyanin (APC) -proteinet inklämt mellan QD:erna och MoSe2. När systemet är exciterat med ljus (blå blixtnedslagssymbol), energi överförs stegvis genom de olika komponenterna, enligt de grå pilarna. En vy ovanifrån av APC -proteinstrukturen visas till höger. Kredit:Brookhaven National Laboratory
För att absorbera inkommande solljus, växter och vissa typer av bakterier förlitar sig på ett lättskördande proteinkomplex som innehåller molekyler som kallas kromoforer. Detta komplex leder solenergi till det fotosyntetiska reaktionscentret, där den omvandlas till kemisk energi för metaboliska processer.
Inspirerad av denna arkitektur som finns i naturen, forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Stony Brook University (SBU) har sammanställt en nanohybridstruktur som innehåller både biologiskt härledda (biotiska) och oorganiska (abiotiska) material. De kombinerade ett ljusskördande protein från en cyanobakterie, halvledande nanokristaller (kvantprickar), och en tvådimensionell (2-D) halvledande övergångsmetall endast ett atomskikt tjockt. Beskrivs i en tidning publicerad den 29 april i ACS Photonics - en tidskrift för American Chemical Society (ACS) - denna nanostruktur kan användas för att förbättra effektiviteten med vilken solceller skördar energi från solen.
"Dagens bästa solpaneler kan omvandla nästan 23 procent av solljuset de absorberar till elektricitet, men i genomsnitt deras effektivitet varierar mellan 15 och 18 procent, " sa motsvarande författare Mircea Cotlet, en materialvetare i Soft and Bio Nanomaterials Group vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en DOE Office of Science User Facility. "Om denna effektivitet kan ökas, mer el kan genereras. Den hopmonterade biotisk-abiotiska nanohybriden visar förbättrad skörd av ljus och generering av elektriska laddningsbärare jämfört med 2-D-halvledarstrukturen. Dessa egenskaper ökar nanohybridens reaktion på ljus när strukturen är inkorporerad i en fälteffekttransistor (FET), ett slags optoelektronisk anordning."
Vid utformningen av nanohybriden, forskarna valde atomärt tunn 2-D molybdendiselenid (MoSe 2 ) som plattform för montering nedifrån och upp. Molybden diselenid är en halvledare, eller ett material vars elektriska konduktivitet ligger mellan den hos en vanlig ledare (lite motstånd mot strömmen av elektrisk ström) och isolatorn (högt motstånd). De kombinerade MoSe 2 med två starka ljusskördande nanomaterial:kvantprickar (QD) och allofykocyanin (APC) -proteinet från cyanobakterier.
Mingxing Li (sittande) och Mircea Cotlet (vänster) från Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials och Jia-Shiang Chen från Stony Brook Universitys materialvetenskaps- och kemitekniska avdelning använde en självmonteringsmetod baserad på växelverkan mellan elektriskt laddade partiklar (motsatta laddningar) attrahera; liksom laddningar avvisa) för att skapa en "nanohybrid" -struktur som innehåller både biologiskt härledda och icke -levande material. Jämfört med icke-hybrida motsvarigheter, nanohybriden visar ökad energiöverföringseffektivitet och fotoresponsivitet, eller svar på ljus - perfekta egenskaper för solcellsapplikationer. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Forskarna valde komponenterna baserat på deras ljusskördande egenskaper och konstruerade komponenternas bandgap (minsta energi som krävs för att excitera en elektron för att delta i ledning) så att en samordnad stegvis energiöverföring kan främjas genom nanohybriden på ett riktat sätt. I hybriden, energi flödar från ljus-exciterade QD:er till APC-proteinet och sedan till MoSe 2 . Denna energiöverföring härmar naturliga ljusskördssystem där ytkromoforer (i detta fall QDs) absorberar ljus och riktar den skördade energin till mellanliggande kromoforer (här, APC) och slutligen till reaktionscentret (här, MoSe 2 ).
För att kombinera de olika komponenterna, forskarna använde elektrostatisk självmontering, en teknik baserad på växelverkan mellan elektriskt laddade partiklar (motsatta laddningar lockar; liknande laddningar stöter bort). De använde sedan ett specialiserat optiskt mikroskop för att undersöka överföring av energi genom nanohybriderna. Dessa mätningar avslöjade att tillägget av APC-proteinskiktet ökar energiöverföringseffektiviteten för nanohybriden med enskikts MoSe2 med 30 procent. De mätte också fotoresponsen av nanohybriden införlivad i en tillverkad FET och fann att den visade den högsta responsen i förhållande till FET som endast innehåller en av komponenterna, producerar mer än dubbelt så mycket ljus som svar på inkommande ljus.
"Mer ljus överförs till MoSe 2 i den biotisk-abiotiska hybriden, "sa förste författare och forskningsassistent Mingxing Li, som arbetar med Cotlet i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Ökad ljusöverföring i kombination med de höga laddningsbärarnas mobiliteter i MoSe 2 betyder att fler bärare kommer att samlas in av elektroderna i en solcellsenhet. Denna kombination är lovande för att öka enhetens effektivitet. "
Forskarna föreslog att tillägg av APC mellan QD och MoSe2 skapar en "trattliknande" energiöverföringseffekt på grund av det sätt som APC företrädesvis orienterar sig i förhållande till MoSe 2 .
"Vi tror att denna studie representerar en av de första demonstrationerna av en kaskadkopplad biotisk-abiotisk nanohybrid som involverar en 2-D övergångsmetallhalvledare, " sa Li. "I en uppföljande studie, Vi kommer att arbeta med teoretiker för att djupare förstå mekanismen bakom denna förbättrade energioverföring och identifiera dess tillämpningar inom energiupptagning och bioelektronik. "
