混合納米結(jié)構(gòu)提高了光捕獲效率

為了吸收入射的陽(yáng)光，植物和某些細(xì)菌依賴于含有稱為發(fā)色團(tuán)的分子的捕光蛋白質(zhì)復(fù)合物。這種復(fù)合物將太陽(yáng)能匯集到光合作用反應(yīng)中心，在那里它被轉(zhuǎn)化為代謝過(guò)程的化學(xué)能。受這種自然建筑的啟發(fā)，能源部(DOE)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室和斯托尼布魯克大學(xué)(SBU)的科學(xué)家組裝了納米混合結(jié)構(gòu)，其中包含生物衍生(生物)和無(wú)機(jī)(非生物)材料。他們將來(lái)自藍(lán)細(xì)菌的光捕獲蛋白，半導(dǎo)體納米晶體(量子點(diǎn))和僅一個(gè)原子層厚的二維(2-D)半導(dǎo)體過(guò)渡金屬結(jié)合在一起。在4月29日發(fā)表在ACS Photonics(化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)雜志)上的一篇論文中描述- 這種納米結(jié)構(gòu)可用于提高太陽(yáng)能電池從太陽(yáng)獲取能量的效率。

“今天最好的太陽(yáng)能電池板可以將它們吸收的近23%的陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，但平均來(lái)說(shuō)，它們的效率在15%到18%之間，”相應(yīng)的作者，布魯克海文軟和生物納米材料集團(tuán)的材料科學(xué)家Mircea Cotlet說(shuō)。實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心(CFN) - 能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。“如果能夠提高效率，就可以產(chǎn)生更多的電力。組裝的生物 - 非生物納米復(fù)合材料與僅含二維半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)相比，顯示出更強(qiáng)的光收集和電荷載流子的產(chǎn)生。這些特性增加了納米復(fù)合材料對(duì)光的響應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)被納入場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)時(shí)，一種光電器件。“

在設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料時(shí)，科學(xué)家選擇原子級(jí)薄的二維二硒化鉬(MoSe2)作為自下而上組裝的平臺(tái)。二硒化鉬是半導(dǎo)體，或其導(dǎo)電率介于常規(guī)導(dǎo)體(對(duì)電流的阻力小)和絕緣體(高電阻)之間的材料。他們將MoSe2與兩種強(qiáng)大的光捕獲納米材料結(jié)合在一起：量子點(diǎn)(QD)和來(lái)自藍(lán)細(xì)菌的別藻藍(lán)蛋白(APC)蛋白。

科學(xué)家們根據(jù)它們的光捕獲特性選擇了這些成分，并設(shè)計(jì)了成分的帶隙(激發(fā)電子參與傳導(dǎo)所需的最小能量)，這樣就可以通過(guò)納米混合物以定向方式促進(jìn)協(xié)同的逐步能量轉(zhuǎn)移。在雜交體中，能量從光激發(fā)的QD流向APC蛋白，然后流向MoSe2。這種能量轉(zhuǎn)移模擬自然光捕獲系統(tǒng)，其中表面發(fā)色團(tuán)(在這種情況下，QD)吸收光并將收集的能量引導(dǎo)至中間發(fā)色團(tuán)(此處為APC)并最終引導(dǎo)至反應(yīng)中心(此處為MoSe2)。

為了結(jié)合不同的組件，科學(xué)家應(yīng)用了靜電自組裝技術(shù)，這是一種基于帶電粒子之間相互作用的技術(shù)(相反的電荷吸引;像電荷排斥一樣)。然后，他們使用專門的光學(xué)顯微鏡探測(cè)通過(guò)納米復(fù)合材料的能量轉(zhuǎn)移。這些測(cè)量結(jié)果表明，添加APC蛋白質(zhì)層可使納米復(fù)合物與單層MoSe2的能量轉(zhuǎn)移效率提高30%。他們還測(cè)量了納入混合到制造的FET中的納米混合物的光響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)它相對(duì)于僅含有一種成分的FET顯示出最高的響應(yīng)度，產(chǎn)生的光電流量是入射光的兩倍以上。

“在生物 - 非生物雜交種中，更多的光被轉(zhuǎn)移到MoSe2，”第一作者和研究員李明星說(shuō)道，他正在CFN軟和生物納米材料集團(tuán)的Cotlet工作。“增加的光傳輸與MoSe2中的高電荷載流子遷移率相結(jié)合意味著太陽(yáng)能電池器件中的電極將收集更多的載流子。這種組合有望提高器件效率。”

科學(xué)家們提出，在QD和MoSe2之間加入APC會(huì)產(chǎn)生“漏斗狀”能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)，因?yàn)锳PC優(yōu)先定向自身相對(duì)于MoSe2的方式。

“我們相信這項(xiàng)研究是首次涉及二維過(guò)渡金屬半導(dǎo)體的級(jí)聯(lián)生物 - 非生物納米混合物的示范之一，”李說(shuō)。“在后續(xù)研究中，我們將與理論家合作，更深入地了解這種增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)移的潛在機(jī)制，并確定其在能量收集和生物電子學(xué)中的應(yīng)用。”