По мере увеличения населения мира растет и спрос на энергию. Угроза изменения климата означает, что существует острая необходимость в поиске более чистых, возобновляемых альтернатив ископаемому топливу, которые не вносят большого количества парниковых газов с потенциально разрушительными последствиями для нашей экосистемы. Солнечная энергия считается особенно привлекательным источником, поскольку в среднем Земля получает от Солнца примерно в 10 000 раз больше энергии за определенное время, чем требуется для потребления человеком.
В последние годы, в дополнение к синтетическим фотоэлектрическим устройствам, биофотовольтаика (BPV, также известная как биологические солнечные элементы) стала экологически чистым и недорогим подходом к сбору солнечной энергии и преобразованию ее в электрический ток. Эти солнечные элементы используют фотосинтетические свойства микроорганизмов, таких как водоросли, для преобразования света в электрический ток, который можно использовать для выработки электричества.Во время фотосинтеза водоросли производят электроны, часть которых выводится за пределы клетки, где они могут обеспечивать электрический ток для устройств. На сегодняшний день все продемонстрированные БПВ располагали зарядку (сбор света и генерация электронов) и подачу энергии (передача в электрическую цепь) в одном отсеке; электроны генерируют ток, как только они секретируются.
В новом методе, описанном в журнале Nature Energy, исследователи из отделов биохимии, химии и физики совместно разработали двухкамерную систему BPV, в которой два основных процесса, участвующих в работе солнечного элемента — генерация электронов и их преобразование в мощность — разделены.«Требования к зарядке и подаче энергии часто противоречат друг другу», — объясняет Кади Лиис Саар из химического отдела. «Например, зарядное устройство необходимо подвергать воздействию солнечного света, чтобы обеспечить эффективную зарядку, в то время как блок подачи энергии не требует воздействия света, но должен эффективно преобразовывать электроны в ток с минимальными потерями».Построение двухкамерной системы позволило исследователям спроектировать два блока независимо друг от друга и таким образом оптимизировать производительность процессов одновременно.
«Разделение зарядки и подачи энергии означало, что мы смогли повысить производительность блока питания за счет миниатюризации», — объясняет профессор Туомас Ноулз из химического факультета и Кавендишской лаборатории. «В миниатюрных масштабах жидкости ведут себя совершенно иначе, что позволяет нам создавать более эффективные ячейки с меньшим внутренним сопротивлением и меньшими электрическими потерями».Команда использовала водоросли, которые были генетически модифицированы, чтобы нести мутации, которые позволяют клеткам минимизировать количество электрического заряда, непродуктивно рассеиваемого во время фотосинтеза. Вместе с новым дизайном это позволило исследователям построить биофотоэлектрический элемент с удельной мощностью 0,5 Вт / м2, что в пять раз больше, чем у их предыдущей конструкции.
По их словам, несмотря на то, что это всего лишь одна десятая плотности мощности, обеспечиваемой обычными солнечными топливными элементами, у этих новых БПВ есть несколько привлекательных особенностей.«Хотя обычные солнечные элементы на основе кремния более эффективны, чем элементы, питаемые водорослями, в части солнечной энергии, которую они превращают в электрическую, существуют привлекательные возможности с другими типами материалов», — говорит профессор Кристофер Хоу из Департамента биохимии. «В частности, поскольку водоросли растут и делятся естественным образом, системы, основанные на них, могут потребовать меньше затрат энергии и могут производиться децентрализованно».По словам исследователей, разделение компонентов производства и хранения энергии имеет и другие преимущества.
Заряд можно сохранить, а не использовать немедленно — это означает, что заряд может генерироваться в дневное время, а затем использоваться в ночное время.Хотя топливные элементы, работающие на водорослях, вряд ли будут вырабатывать достаточно электроэнергии для питания сетевой системы, они могут быть особенно полезны в таких областях, как сельские районы Африки, где солнечного света много, но нет существующей электросетевой системы.
Кроме того, в то время как синтетические фотоэлектрические элементы на основе полупроводников обычно производятся на специализированных предприятиях вдали от того места, где они используются, производство BPV может осуществляться непосредственно местным сообществом, говорят исследователи.«Это большой шаг вперед в поисках альтернативных, более экологичных видов топлива», — говорит доктор Паоло Бомбелли из Департамента биохимии. «Мы считаем, что эти разработки приблизят системы на основе водорослей к практическому применению».