بيوفتوولتائيك: تبديل انرژي خورشيدي به الكتريسيته به كمك پروتئين فتوسيستم 1

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي فناوري نانو

دكتري

به كارگيري ميكروسازواره‌هاي زنده فتوسنتزي در دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك به فناوري اميدواركننده¬اي براي توليد انرژي تجديدپذير تبديل شده است.كمپلكس فتوسنتزي فتوسيستم 1 (PSI) با دارا بودن ويژگي¬هايي همچون توانايي در جذب انرژي فوتوني، جداسازي بار و انتقال موثر الكترون¬ها، كانديد مناسبي براي استفاده به عنوان لايه فعال در دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك است. مهندسي شيمي سطح الكترودي كه كمپلكس¬هاي فتوسيستم 1 بر روي آن خودآرائي مي¬كنند، در جهت گيري آنها نقشي اساسي دارد. در پژوهش حاضر به كمك دو اتصالگر فنيل-61 C- بوتريك اسيد (PCBA) و پپتايد سفارشي IQAc بر روي الكترودهاي طلا با ساختار نانو، تأثير تك¬لايه¬هاي فتوسيستم 1 جهت¬گيري شده بر عملكرد دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك¬ مقايسه مي¬شوند. اندازه¬گيري¬¬ها به كمك دو روش غيرمخرب گاليم-ايندويوم يوتكتيك و ميكروسكوپ نيروي اتمي با پروب رسانا نشان دادند كه اتصالگر PCBA تأثير بسزايي در جهت¬گيري فتوسيستم 1 دارد. همچنين كاربرد اين دو اتصالگر در سامانه¬هاي ماكروفلوئيدي نشان داد كه دستگاه بيوفتوولتائيك با بهترين عملكرد ممكن ساخته شده با اتصالگر PCBA بازده 0043/0 % را نشان مي¬دهد، درحاليكه دستگاه بيوفتوولتائيك ساخته شده با پپتايد IQAc بازده 0027/0% را نشان مي¬دهد. علاوه بر اين، سامانه¬هاي مبتني بر PCBA در معرض تابش مداوم نور پايدارتر بودند و با تزريق مجدد فتوسيستم 1 تازه، مجدداً خودآرائي در سيستم انجام داده و شروع به فعاليت مي¬كنند. در پژوهش حاضر تركيبي از نيمه¬هادي¬هاي آلي مرسوم و مولكول¬هاي زيستي به عنوان رويكردي مناسب در استفاده در سلول¬هاي خورشيدي موجب عملكرد بهتر بيوفتوولتائيك¬هاي شد. در بخش ديگري از پژوهش حاضر، فتوسيستم 1 به عنوان ماده فعال در ساخت سلول¬هاي بيوفتوولتائيك حالت جامد استفاده شد. پلي تيروزين-پلي¬انيلين (PY-PANI) به عنوان لايه انتقال دهنده حفره بر روي الكترودهاي شفاف ITO لايه¬نشاني شد. لايه فتوسيستم 1 با استفاده از لايه انتقال دهنده الكترون متشكل از اكسيد گرافن احيا شده با نانوذرات طلا (rGO-Au) پوشانده شد. تركيب اكسيد گرافن كاهش‌يافته با نانوذرات طلا باعث مي‌شود تا ساختار الكترونيكي سطوح انرژي لايه¬هاي مختلف را تراز كند و در عين حال رسانايي الكتريكي دستگاه‌ها را نيز افزايش دهد. در سلول¬هاي خورشيدي حالت جامد مورد بررسي، بهترين عملكرد دستگاه به بازده تبديل توان خارجي 64/0 % رسيد. به علاوه در بخش ديگري از پژوهش حاضر، اتصالات تونل زني به كمك الكترود بالايي گاليم-اينديوم يوتكتيك با استفاده از دو كمپلكس مختلف پروتئين فتوسيستم1 استخراج شده از سيانوباكتري‌ها و برگ‌هاي اسفناج كه بر روي زيرلايه¬هاي مايكا خودآرائي شده¬اند، مقايسه شده است. اندازه‌گيري‌هاي پايداري كمپلكس¬هاي فتوسيستم1 استخراج شده از سيانوباكتري‌ها و كمپلكس¬هاي فتوسيستم 1 استخراج‌شده از برگ‌هاي اسفناج در دماي اتاق در مدت چهار ماه مقايسه شده است. علاوه بر اين، اندازه‌گيري‌هاي الكتريكي به كمك گاليم-اينديوم يوتكتيك، از دماي 130 كلوين تا نزديك به دماي دناتوره شدن پروتئين، رفتار انتقال الكتروني مستقل از دما را براي اتصالات PCBA//PSI نشان مي‌دهند. نتايج پژوهش¬هاي ما نشان داد كه در بخش اول فولروئيدها كه مواد شناخته شده پذيرنده الكترون در سيستم¬هاي فتوولتائيك آلي هستند، موجب تسهيل اسخراج الكترون از كمپلكس¬هاي پروتئيني مي¬شوند، بدون اينكه سبب تضعيف جهت¬گيري كمپلكس¬ها شوند. در بخش دوم، هم ترازي بين سطوح انرژي لايه‌هاي فتوسيستم 1 و لايه¬هاي انتقال دهنده الكترون و حفره در سلول‌هاي بيوفتوولتائيك حالت جامد، انتقال الكترون‌هاي توليد شده را در فرايند تبديل انرژي تسهيل مي‌كند و بنابراين بارها مي‌توانند به طور موثر در دستگاه‌هاي بيوفتوولتائيك عبور كنند. در بخش سوم، مقايسه اندازه¬گيري¬هاي الكتريكي بين اين اتصالات با استفاده از دو كمپلكس مختلف PSI نشان مي‌دهند كه نشتي جريان در اتصالات وجود ندارد، اين اتصالات اندازه‌گيري دما را تا 130 كلوين امكان‌پذير مي‌كنند، ويژگي‌هاي حفظ جريان عالي دارند و حداقل براي چهار ماه پايدار هستند.

226171

نانومواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان