Inom några år, människor i avlägsna byar i utvecklingsländerna kanske kan göra sina egna solpaneler, till låg kostnad, använda annars värdelöst jordbruksavfall som sin råvara.

Det är MIT-forskaren Andreas Mershins vision, vars arbete visas den här veckan i tidskriften med öppen tillgång Vetenskapliga rapporter . Arbetet är en förlängning av ett projekt som påbörjades för åtta år sedan av Shuguang Zhang, en huvudforskare och biträdande direktör vid MIT:s Center for Biomedical Engineering. Zhang var seniorförfattare till den nya tidningen tillsammans med Michael Graetzel från schweiziska École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

I sitt ursprungliga verk, Zhang kunde anlita ett komplex av molekyler som kallas fotosystem-I (PS-I), de små strukturerna i växtceller som utför fotosyntes. Zhang och kollegor härledde PS-I från växter, stabiliserade den kemiskt och bildade ett lager på ett glassubstrat som kunde - som en konventionell solcellscell - producera en elektrisk ström när den exponerades för ljus.

Men det tidiga systemet hade vissa nackdelar. Att montera och stabilisera det krävde dyra kemikalier och sofistikerad labbutrustning. Vad mer, den resulterande solcellen var svag:dess effektivitet var flera storleksordningar för låg för att vara till någon nytta, vilket innebär att den måste sprängas med en högeffektlaser för att producera någon ström alls.

Nu säger Mershin att processen har förenklats till den grad att praktiskt taget vilket labb som helst kan replikera den – inklusive högskole- eller till och med vetenskapslabb – vilket gör det möjligt för forskare runt om i världen att börja utforska processen och göra ytterligare förbättringar. Det nya systemets effektivitet är 10, 000 gånger större än i den tidigare versionen – även om bara 0,1 procent av solljusets energi omvandlas till elektricitet, den behöver fortfarande förbättras ytterligare tio gånger för att bli användbar, han säger.

Nyckeln till att uppnå denna enorma effektivitetsförbättring, Mershin förklarar, hittade ett sätt att exponera mycket mer av PS-I-komplexet per ytarea av enheten för solen. Zhangs tidigare arbete producerade helt enkelt ett tunt platt lager av materialet; Mershins inspiration för det nya framsteg var tallar i en skog.

Mershin, en forskare vid MIT Center for Bits and Atoms, märkte att medan de flesta tallarna hade kala stammar och ett tak av grenar bara längst upp, några få hade små grenar hela vägen ner längs stammen, fånga allt solljus som sipprade ner ovanifrån. Han bestämde sig för att skapa en mikroskopisk skog på ett chip, med PS-I beläggning hans "träd" från topp till botten.

Att förvandla den insikten till en praktisk enhet tog år av arbete, men till slut kunde Mershin skapa en liten skog av zinkoxid (ZnO) nanotrådar samt en svampliknande titandioxid (TiO2) nanostruktur belagd med det ljussamlande materialet som härrör från bakterier. Nanotrådarna fungerade inte bara som en stödjande struktur för materialet, men också som trådar för att föra flödet av elektroner som genereras av molekylerna ner till det stödjande lagret av material, från vilken den skulle kunna anslutas till en krets. "Det är som en elektrisk nanoskog, ” säger han.

Som en bonus, både zinkoxid och titandioxid – huvudingrediensen i många solskyddsmedel – är mycket bra på att absorbera ultraviolett ljus. Det är användbart i det här fallet eftersom ultraviolett ljus tenderar att skada PS-I, men i dessa strukturer absorberas det skadliga ljuset av stödstrukturen.

Mershin tror att eftersom han och hans kollegor nu har sänkt inträdesbarriären för vidare arbete med dessa material, framstegen mot att förbättra deras effektivitet bör vara snabba. I sista hand, när effektiviteten når 1 eller 2 procent, han säger, som kommer att vara tillräckligt bra för att vara användbar, eftersom ingredienserna är så billiga och bearbetningen så enkel.

"Du kan använda allt grönt, även gräsklipp” som råvara, han säger - i vissa fall, avfall som folk annars skulle betala för att ha fraktat bort. Medan centrifuger användes för att koncentrera PS-I-molekylerna, teamet har föreslagit ett sätt att uppnå denna koncentration genom att använda billiga membran för filtrering. Inga speciella laboratorieförhållanden behövs, Mershin säger:"Det kan vara väldigt smutsigt och det fungerar fortfarande, på grund av hur naturen har utformat den. Naturen arbetar i smutsiga miljöer - det är resultatet av miljarder experiment under miljarder år."

Eftersom systemet är så billigt och enkelt, han hoppas att detta kommer att bli ett "sätt att få lågteknologisk elektricitet till människor som aldrig har betraktats som konsumenter eller producenter av solenergiteknik." Han hoppas att instruktionerna för att tillverka en solcell kommer att vara enkla nog att reduceras till "ett ark med tecknade instruktioner, utan ord.” Den enda ingrediensen som skulle köpas skulle vara kemikalier för att stabilisera PS-I-molekylerna, som kan förpackas billigt i en plastpåse.

Väsentligen, Mershin säger, inom några år en bybor i en avlägsen, en plats utanför nätet kan "ta den väskan, blanda det med allt grönt och måla det på taket” för att börja producera kraft, som sedan kan ladda mobiltelefoner eller lyktor. I dag, den mest använda belysningskällan på sådana platser är fotogenlyktor - "den dyraste, mest ohälsosamma” form av belysning som finns, han säger. "Nattbelysning är det främsta sättet att ta sig ur fattigdom, ” tillägger han, eftersom det gör det möjligt för människor som arbetar på fältet hela dagen att läsa på natten och skaffa sig en utbildning.

Babak Parviz, en docent i elektroteknik vid University of Washington som är specialiserad på bionanoteknik, säger att detta är "ett mycket spännande dokument och ett mycket bra steg mot att integrera biomolekyler för att bygga solceller. This shows a very promising and creative first step toward building organic photovoltaic cells that can use biologically (naturally) produced cores.” He adds that while the present system still needs further development, “further work in the field can perhaps improve the stability and performance of these devices.”

The research was funded in part by an unrestricted grant from Intel Corp., and also included researchers at the University of Tennessee.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.