Ett universitet i Kalifornien, Riverside assisterande professor har kombinerat fotosyntes och fysik för att göra en nyckelfynd som kan hjälpa till att göra solceller mer effektiva. Resultaten publicerades nyligen i tidningen Nano bokstäver .

Nathan Gabor fokuserar på experimentell fysik av kondenserad materia, och använder ljus för att undersöka kvantmekanikens grundläggande lagar. Men, han blev intresserad av fotosyntes när en fråga dök upp i hans huvud 2010:Varför är växter gröna? Han upptäckte snart att ingen riktigt vet.

Under de senaste sex åren har han försökte hjälpa till att förändra det genom att kombinera sin bakgrund i fysik med en djupdykning i biologi.

Han bestämde sig för att tänka om solenergiomvandlingen genom att ställa frågan:kan vi göra material till solceller som mer effektivt absorberar den fluktuerande mängden energi från solen. Växter har utvecklats för att göra detta, men nuvarande prisvärda solceller - som i bästa fall är 20 procent effektiva - styr inte dessa plötsliga förändringar i solenergi, Sa Gabor. Det resulterar i mycket slösad energi och hjälper till att förhindra att solceller som energikälla används i stor skala.

Gabor, och flera andra UC Riverside -fysiker, hanterade problemet genom att designa en ny typ av fotocell för kvantvärmemotorer, vilket hjälper till att manipulera energiflödet i solceller. Designen innehåller en värmemotorfotocell som absorberar fotoner från solen och omvandlar fotonenergin till elektricitet.

Förvånande, forskarna fann att kvantvärmemotorns fotocell kunde reglera solenergiomvandlingen utan att kräva aktiv feedback eller adaptiva styrmekanismer. I konventionell solcellsteknik, som används på hustak och solfarmar idag, fluktuationer i solenergi måste undertryckas av spänningsomvandlare och återkopplingsregulatorer, som dramatiskt minskar den totala effektiviteten.

UC Riverside -lagens mål var att designa den enklaste fotocellen som matchar mängden solenergi från solen så nära det genomsnittliga effektbehovet som möjligt och att undertrycka energifluktuationer för att undvika ackumulering av överskottsenergi.

Forskarna jämförde de två enklaste kvantmekaniska fotocellssystemen:ett där fotocellen bara absorberade en enda ljusfärg, och den andra där fotocellen absorberade två färger. De fann att genom att helt enkelt införliva två fotonabsorberande kanaler, snarare än bara en, regleringen av energiflödet dyker upp naturligt i fotocellen.

Den grundläggande driftsprincipen är att en kanal absorberas vid en våglängd för vilken den genomsnittliga ineffekten är hög, medan den andra absorberar vid låg effekt. Fotocellen växlar mellan hög och låg effekt för att omvandla olika nivåer av solenergi till en steady-state-utgång.

När Gabor team tillämpade dessa enkla modeller på det uppmätta solspektrumet på jordens yta, de upptäckte att absorptionen av grönt ljus, den mest strålande delen av solenergispektrumet per våglängdsenhet, ger ingen regulatorisk fördel och bör därför undvikas. De optimerade fotocellparametrarna systematiskt för att minska fluktuationer i solenergi, och fann att absorptionsspektrumet ser nästan identiskt ut med det absorptionsspektrum som observerats i fotosyntetiska gröna växter.

Resultaten fick forskarna att föreslå att naturlig reglering av energi som de hittade i kvantvärmemotorns fotocell kan spela en avgörande roll för fotosyntesen i växter, kanske förklarar övervägande av gröna växter på jorden.

Andra forskare har nyligen funnit att flera molekylära strukturer i växter, inklusive klorofyll a och b molekyler, kan vara avgörande för att förhindra ackumulering av överskottsenergi i växter, som kan döda dem. UC Riverside -forskarna fann att molekylstrukturen hos den kvantvärmemotorfotocell de studerade är mycket lik strukturen hos fotosyntetiska molekyler som innehåller par klorofyll.

Hypotesen av Gabor och hans team är den första som kopplar kvantmekanisk struktur till växternas grönhet, och ger en tydlig uppsättning tester för forskare som syftar till att verifiera naturlig reglering. Lika viktigt, deras design tillåter reglering utan aktiv input, en process möjliggjord av fotocellens kvantmekaniska struktur.

Papperet kallas "Natural Regulation of Energy Flow in a Green Quantum Photocell".