بهینه‌سازی سلول‌های خورشیدی زیستی به کمک پروتئین عروس دریایی در دانشگاه صنعتی شریف

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از ستاد ویژه توسعه نانو، با افزایش روزافزون جمعیت جهان، مساله انرژی یکی از مهم‌ترین مسائل پیش روی بشر در 50 سال آینده خواهد بود. اغلب انرژی‌های موجود نیازمند احتراق سوخت‌های فسیلی هستند. استفاده از سوخت‌های فسیلی منجر به تولید گاز دی‌اکسید کربن و پدیده گرمایش زمین می‌شود. نور خورشید بهترین منبع انرژی برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی است. خورشید 10 هزار برابر انرژی مصرفی بشر را تأمین می‌کند. انرژی خورشیدی به‌وسیله سلول‌های خورشیدی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. تاکنون انواع مختلفی از سلول‌های خورشیدی با بازدهی‌های متفاوت تولیدشده‌است. تلاش‌ها برای کاهش هزینه‌های ساخت سلول‌های خورشیدی و همچنین معرفی نسل‌های جدید آن در سراسر جهان در حال انجام است.

دکتر راحله محمدپور با ارائه توضیحات اولیه در خصوص سلول‌های زیستی، در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: «سلول‌های خورشیدی زیستی نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک هستند که ساختار و عملکرد آنها شبیه به برگ درخت است. در واقع در این نوع سلول‌ها با استفاده از پروتئین‌های حساس به نور، یک نوع برگ درخت مصنوعی تولید می‌شود. هدف از انجام این طرح بهبود عملکرد تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی زیستی با استفاده از مواد فعال نوری زیستی جدید بوده است».

سلول‌های خورشیدی تولیدشده در این طرح هزینه تولید به‌مراتب پایین‌تری نسبت به سلول‌های خورشیدی نسل‌های قدیمی‌تر دارند و بازدهی تبدیل انرژی آنها نسبت به سلول‌های خورشیدی زیستی گزارش شده بالاتر است. به‌علاوه، به دلیل اینکه بخش اعظمی از این سلول‌ها از نانوذرات پروتئینی ساخته شده‌اند، از خود خاصیت خود ترمیم شوندگی بروز می‌دهند.

محمدپور در ادامه پیرامون پروتئین‌های مورد استفاده در این سلول خورشیدی زیستی و نحوه عملکرد آنها افزود: «در این طرح از مولکول‌های فعال نوری زیستی شامل پروتئین باکتریورودوپسین (استخراج شده از نوعی باکتری) و پروتئین فلورسانس سبز (تولید شده به‌صورت نوترکیب) جهت به دام انداختن نور استفاده شده است. جی‌اف‌پی نیز یک پروتئین فلورسانس موجود در عروس دریایی است که در سلول‌های خورشیدی زیستی تولید شده در این طرح، استفاده شده است. استفاده از پروتئین‌های زیستی علاوه بر اینکه امکان سازگاری با محیط‌زیست را فراهم می‌کند، پتانسیل خود ترمیم شوندگی را نیز مطابق با گونه‌های طبیعی مهیا می‌کند».

به گفته این محقق، در طی این پژوهش، الکترود نانوساختاری بر پایه نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم به‌عنوان بستر انتقال الکترون و نانوالیاف اکسید تیتانیوم جهت افزایش پراکندگی نور در الکترودها تهیه شده است. سپس پروتئین‌های فعال نوری باکتریورودوپسین و پروتئین از منابع موردنظر استخراج شده و روی الکترود نانوساختار ساخته‌شده در مرحله قبل تثبیت شده است. در ادامه از الکترود ساخته شده جهت ساخت سلول خورشیدی زیستی استفاده شده است. در انتها سلول خورشیدی تولید شده نهایی مشخصه‌یابی و بهینه‌سازی شده است.

حساس‌سازی فتوالکترود با پروتئین مقاوم باکتریوریداپسین منجر به تولید سلول خورشیدی زیستی با بازده یک درصد شده است. استفاده از پروتئین فلورسانس سبز در کنار باکتریوریداپسین بازده سلول خورشیدی را تا بیش از 2/1 افزایش داده است.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر راحله محمدپور، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف، سجاد جان‌فزا، دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه تربیت مدرس و مهدی زین‌الدینی، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی مالک اشتر است.