Las berries aumentan el voltaje de las células solares biohíbridas derivadas de espinacas, desarrolladas por los investigadores de Vanderbilt, hasta 20 veces.
El equipo interdisciplinario descubrió que la combinación de un tinte natural de moras con proteínas fotosintéticas extraídas de hojas de espinaca crea un dispositivo que puede producir mucho más voltaje que una célula solar hecha solo de proteína de espinaca.
Las células solares biohíbridas que incorporan materiales naturales pueden convertirse en una fuente rentable de electricidad si aumentan su potencial de fotovoltaica. En este punto, el rendimiento de estos dispositivos no se acerca al de las células solares de silicio actuales. La tecnología biohíbrida se encuentra en una etapa inicial, comparable a las células solares de silicio de hace 30 a 40 años que se limitaban a alimentar relojes electrónicos y calculadoras.
El equipo, dirigido por el profesor de Ingeniería Química y Biomolecular Kane Jennings y el profesor de Química David Cliffel, informó sobre su descubrimiento en la revista ACS Applied Energy Materials. Su artículo, "Photosystem I: películas multicapa para la mejora de fotovoltaica en células solares sensibilizadas con colorante natural", se publicó online el 31 de enero.
Su estructura estratificada del dispositivo de espinaca y mora también es una desviación significativa del enfoque que otros grupos han tomado.
El nuevo diseño del equipo de Vanderbilt es un ensamblaje apilado que consiste en una película multicapa de proteína Photosystem I discreta sobre un fotoánodo natural sensibilizado con tinte que expande la absorbancia del espectro solar a más del doble de la célula solar fotovoltaica en relación con el equivalente no modificado.
Consiste en un electrodo con una película de óxido de titanio de una micra de espesor, que luego se empapa con un tinte antocianina natural extraído de las moras. Las antocianinas se utilizan para colorear textiles en tonos de rojo, azul, morado y negro. También están aprobados en la Unión Europea para colorear alimentos y bebidas.
A continuación, el electrodo empapado en tinte se recubre con 0,2 micras (aproximadamente 20 capas) de moléculas del fotosistema I (PSI) extraídas de hojas de espinaca. PSI es el nombre técnico de la proteína que se encuentra en las plantas responsables del proceso de fotosíntesis: capturar la luz solar y transformarla en energía química que es la principal fuente de energía para todos los seres vivos de la tierra.
"Mostramos que este dispositivo produjo aproximadamente el doble de la fotovoltaica del tinte de mora solo y 20 veces más que el PSI solo", dijo Jennings.
Kane Jennings
"Estamos descubriendo nuevas formas en que las películas de PSI pueden aumentar el rendimiento de las células solares. Si podemos continuar mejorando el voltaje y la corriente combinados que estas células biohíbridas producen, entonces podrían convertirse en una fuente de energía segura, saludable y relativamente barata ", dijo.
Los 500 milivoltios que generó el dispositivo es la mayor fotovoltaica jamás registrada por el grupo, que ha estado investigando células solares biohíbridas durante más de una década.
Una de las razones por las que las antocianinas de mora funcionan tan bien con las proteínas PSI es porque absorben la luz solar en longitudes de onda complementarias. Los picos de absorción PSI en las longitudes de onda violeta y roja mientras que la absorción del tinte es más fuerte en las longitudes de onda verdes. Cuando se combinan, pueden absorber un mayor porcentaje de la luz incidente de la que pueden individualmente.
"Entender cómo interconectar moléculas biológicas y materiales electrónicos avanzados será de importancia crítica en las próximas décadas", dijo Cliffel.
El enfoque del equipo se basó en un modelo matemático de películas PSI multicapa desarrollado por Maxwell Robinson como parte de su tesis doctoral (ahora es investigador postdoctoral en Ingeniería Química en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, MIT). El modelo fue descrito en un artículo publicado el pasado mes de diciembre en The Journal of Physical Chemistry B.
El modelo de Robinson examinó cómo PSI afecta las concentraciones locales de pequeñas moléculas llamadas mediadores. Cuando se enciende la luz en PSI, separa las cargas eléctricas positivas y negativas con una eficiencia cuántica casi perfecta. Los mediadores que se difunden a través de la celda para producir corriente eléctrica recogen estos cargos.
David Cliffel
Cuando los portadores de carga positiva y negativa se encuentran, sin embargo, las cargas se recombinan. Cuanto mayor es la tasa de recombinación, menos potencia produce la célula. El modelo predice que la capa de PSI afecta la concentración de las moléculas del mediador de una manera que reduce las tasas de recombinación, lo que ayuda a explicar el aumento significativo de voltaje en el diseño en capas.
Dos estudiantes de pregrado contribuyeron a la investigación: Marie Armbruster, Goldwater Scholar con especialización en ingeniería química y química, y Avi Gargye, estudiante de ingeniería química que comenzó a trabajar en el proyecto como estudiante de secundaria.
