Энергия, которую получает Земля от Солнца в течение года, оценивается порядком около 105 ТВт, что значительно больше, чем потребляет земное население. [1] Солнечный свет остается основным источником энергии для бактерий, водорослей и растений на протяжении миллиардов лет эволюции.
Среди организмов, которые обладают идеальной способностью поглощать и преобразовывать солнечный свет почти со 100% эффективностью, можно отметить Зеленые серные бактерии (Green sulfur bacteria). [2]
Для сравнения, наиболее эффективные искусственные солнечные панели, изготовленные из монокристаллических кремниевых элементов, имеют КПД около 44,7%. В то время как эффективность большинства обычных солнечных панелей существенно ниже. [1]
Понимание механизмов улавливания и преобразования солнечного света, присутствующих у живых организмов, позволят создать более эффективные фотоэлектрические технологии.
Создание биомиметических солнечных технологий вдохновляется разнообразием оптических явлений, присутствующих у насекомых и растений.
Сложные глаза и крылья моли обладают антиотражающими структурами, уменьшающими потери энергии. Сложные глаза моли, показанные на рис. 1, структурированы таким образом, что отражение света в значительной степени подавляется, и солнечное поглощение осуществляется с максимальной эффективностью.
Рис. 1. Сложный глаз моли имеет выраженную антиотражающую структуру, повышающую солнечное поглощение. Источник: Wikimedia Commons, CC BY 2.0
Основываясь на примере, был разработан синтетический аналог такой структуры. Сообщалось, что по сравнению с обычными солнечными батареями, панели с таким синтетическим покрытием продемонстрировали повышение эффективности на 33%. [1]
Разработка сенсибилизированных красителей для создания солнечных элементов также получила вдохновение от фотосинтетических систем, увиденных в природе. Эти системы включают биофотонные кристаллы и молекулярные антенны.
Биофотонные кристаллы имеют высокоупорядоченную кристаллическую структуру, позволяющую получить яркие цвета. В них молекулярные антенны представляют собой органеллы, ответственные за начальный процесс фотовозбуждения при фотосинтезе. [1]
Приняв это во внимание, было обнаружено, что частицы опала относительно легко были преобразованы в фотонные кристаллы, повысив эффективность преобразования солнечной энергии на 50% в диапазоне длин волн от 500 до 600 нм. [1]
Также была использована структура крыла бабочки Хвостоносца (Papilio nephelus Boisduval) в качестве модели для получения иерархически структурированного фотокатализа с высокой степенью поглощения солнечного света. Эта бабочка, как показано на рис. 2, имеет темный цвет за счет обратных ребер V-типа и массивов отверстий, обладающих усиленной способностью фотопоглощения. Была продемонстрирована возможность использования таких структур для осуществления искусственного фотосинтеза и использования полученного топлива. [4]
Рис. 2. Бабочка Хвостоносец имеет особенную архитектуру крыла, обеспечивающую эффективное поглощение света. Источник: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Природа обладает совершенным опытом в области сбора солнечной энергии для поддержания жизни на земле. Некоторые из высокоэффективных организмов, собирающих солнечную энергию, имеют структуры, которые могут служить источником вдохновения для создания более эффективных солнечных элементов.
Исследователи смогли использовать некоторые из них и показали многообещающие результаты, однако, необходимо больше трудиться для лучшего понимания устройства биологических систем для разработки и внедрения процессов биомиметического / биоинспирированного производства.
Источник:
Loza Tadesse. «Биомиметические технологии солнечных батарей».
Ссылки:
[1] V. Greanya, «Биомиметическая фотоника», (CRC Press, 2015).
[2] N. Lambert и соавторы, «Квантовая биология», Nat. Phys. 9, 10 (2013).
[3] Manske et al., «Физиология и филогения Зеленых серных бактерий, образующих моноспецифическую фототрофную структуру на глубине 100 метров в Черном море», Appl. Environ. Microb. 71 8049 (2005).
[4] L. Ding и соавторы, «Фотокаталитическое расщепление воды с помощью Zd-схемы типа CdS/Au/TiO2 с использованием архитектуры крыла бабочки», Int. J. Hydrogen Energy 38 8244 (2013).
Написать комментарий