(PhysOrg.com) - Forskare vid MIT har hittat ett sätt att göra betydande förbättringar av energiomvandlingseffektiviteten för solceller genom att anlita små virus för att utföra detaljerat monteringsarbete på mikroskopisk nivå.

I en solcell, solljus träffar ett ljusupptagande material, får den att frigöra elektroner som kan utnyttjas för att producera en elektrisk ström. Den nya MIT-forskningen, publicerades online denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , bygger på upptäckter att kolnanorör — mikroskopiska, ihåliga cylindrar av rent kol — kan förbättra effektiviteten av elektroninsamling från en solcells yta.

Tidigare försök att använda nanorören, dock, hade motverkats av två problem. Först, tillverkningen av kolnanorör ger i allmänhet en blandning av två typer, av vilka några fungerar som halvledare (ibland låter en elektrisk ström flyta, ibland inte) eller metaller (som fungerar som trådar, låter ström flyta lätt). Den nya forskningen, för första gången, visade att effekterna av dessa två typer tenderar att vara olika, eftersom de halvledande nanorören kan förbättra prestandan hos solceller, men de metalliska har motsatt effekt. Andra, nanorör tenderar att klumpa ihop sig, vilket minskar deras effektivitet.

Och det är där virus kommer till undsättning. Forskarstuderande Xiangnan Dang och Hyunjung Yi — arbetar med Angela Belcher, W. M. Keck professor i energi, och flera andra forskare - fann att en genetiskt modifierad version av ett virus som heter M13, som normalt infekterar bakterier, kan användas för att styra arrangemanget av nanorören på en yta, hålla rören åtskilda så att de inte kan kortsluta kretsarna, och hålla isär rören så att de inte klumpar sig.

Systemet som forskarna testade använde en typ av solcell känd som färgsensibiliserade solceller, en lätt och billig typ där det aktiva lagret består av titandioxid, snarare än kisel som används i konventionella solceller. Men samma teknik skulle kunna tillämpas på andra typer också, inklusive quantum-dot och organiska solceller, säger forskarna. I sina tester, Genom att lägga till de virusbyggda strukturerna förbättrades effektkonverteringseffektiviteten till 10,6 procent från 8 procent – ​​nästan en tredjedel förbättring.

Denna dramatiska förbättring sker trots att virusen och nanorören endast utgör 0,1 viktprocent av den färdiga cellen. "Lite biologi räcker långt, ” säger Belcher. Med fortsatt arbete, forskarna tror att de kan öka effektiviteten ytterligare.

Virusen används för att förbättra ett särskilt steg i processen att omvandla solljus till elektricitet. I en solcell, det första steget är att ljusets energi slår loss elektroner från solcellsmaterialet (vanligtvis kisel); sedan, dessa elektroner måste kanaliseras mot en samlare, från vilken de kan bilda en ström som flyter för att ladda ett batteri eller driva en enhet. Efter det, de återgår till originalmaterialet, där cykeln kan börja igen. Det nya systemet är avsett att öka effektiviteten i det andra steget, hjälper elektronerna att hitta sin väg:Att lägga till kolnanorören till cellen "ger en mer direkt väg till strömavtagaren, ” säger Belcher.

Virusen utför faktiskt två olika funktioner i denna process. Först, de har korta proteiner som kallas peptider som kan binda tätt till kolnanorören, hålla dem på plats och hålla dem åtskilda från varandra. Varje virus kan hålla fem till 10 nanorör, var och en hålls stadigt på plats av cirka 300 av virusets peptidmolekyler. Dessutom, viruset konstruerades för att producera en beläggning av titandioxid (TiO2), en nyckelingrediens för färgsensibiliserade solceller, över vart och ett av nanorören, placera titandioxiden i omedelbar närhet av de trådliknande nanorören som bär elektronerna.

De två funktionerna utförs i följd av samma virus, vars aktivitet "växlas" från en funktion till en annan genom att ändra surheten i dess miljö. Denna växlingsfunktion är en viktig ny funktion som har demonstrerats för första gången i denna forskning, säger Belcher.

Dessutom, virusen gör nanorören lösliga i vatten, vilket gör det möjligt att införliva nanorören i solcellen med hjälp av en vattenbaserad process som fungerar i rumstemperatur.

Prashant Kamat, en professor i kemi och biokemi vid Notre Dame University som har gjort ett omfattande arbete med färgsensibiliserade solceller, säger att medan andra har försökt använda kolnanorör för att förbättra solcellseffektiviteten, "förbättringarna som observerades i tidigare studier var marginella, ” medan förbättringarna av MIT-teamet som använder virusmonteringsmetoden är ”imponerande”.

"Det är troligt att virusmallen har gjort det möjligt för forskarna att etablera en bättre kontakt mellan TiO2-nanopartiklarna och kolnanorören. En sådan nära kontakt med TiO2-nanopartiklar är avgörande för att snabbt driva bort de fotogenererade elektronerna och transportera dem effektivt till uppsamlingselektrodens yta."

Kamat tror att processen mycket väl kan leda till en livskraftig kommersiell produkt:"Färgsensibiliserade solceller har redan kommersialiserats i Japan, Korea och Taiwan, ” säger han. Om tillsatsen av kolnanorör via virusprocessen kan förbättra deras effektivitet, "branschen kommer sannolikt att anta sådana processer."

Belcher och hennes kollegor har tidigare använt olika konstruerade versioner av samma virus för att förbättra prestanda hos batterier och andra enheter, men metoden som används för att förbättra solcellsprestanda är helt annorlunda, hon säger.

Eftersom processen bara skulle lägga till ett enkelt steg till en standardprocess för tillverkning av solceller, det bör vara ganska enkelt att anpassa befintliga produktionsanläggningar och bör därför kunna implementeras relativt snabbt, säger Belcher.