混合纳米结构提高了光捕获效率

为了吸收入射的阳光，植物和某些细菌依赖于含有称为发色团的分子的捕光蛋白质复合物。这种复合物将太阳能汇集到光合作用反应中心，在那里它被转化为代谢过程的化学能。受这种自然建筑的启发，能源部(DOE)布鲁克海文实验室和斯托尼布鲁克大学(SBU)的科学家组装了纳米混合结构，其中包含生物衍生(生物)和无机(非生物)材料。他们将来自蓝细菌的光捕获蛋白，半导体纳米晶体(量子点)和仅一个原子层厚的二维(2-D)半导体过渡金属结合在一起。在4月29日发表在ACS Photonics(化学学会(ACS)杂志)上的一篇论文中描述- 这种纳米结构可用于提高太阳能电池从太阳获取能量的效率。

“今天最好的太阳能电池板可以将它们吸收的近23%的阳光转化为电能，但平均来说，它们的效率在15%到18%之间，”相应的作者，布鲁克海文软和生物纳米材料集团的材料科学家Mircea Cotlet说。实验室功能纳米材料中心(CFN) - 能源部科学用户设施办公室。“如果能够提高效率，就可以产生更多的电力。组装的生物 - 非生物纳米复合材料与仅含二维半导体的结构相比，显示出更强的光收集和电荷载流子的产生。这些特性增加了纳米复合材料对光的响应当结构被纳入场效应晶体管(FET)时，一种光电器件。“

在设计纳米复合材料时，科学家选择原子级薄的二维二硒化钼(MoSe2)作为自下而上组装的平台。二硒化钼是半导体，或其导电率介于常规导体(对电流的阻力小)和绝缘体(高电阻)之间的材料。他们将MoSe2与两种强大的光捕获纳米材料结合在一起：量子点(QD)和来自蓝细菌的别藻蓝蛋白(APC)蛋白。

科学家们根据它们的光捕获特性选择了这些成分，并设计了成分的带隙(激发电子参与传导所需的最小能量)，这样就可以通过纳米混合物以定向方式促进协同的逐步能量转移。在杂交体中，能量从光激发的QD流向APC蛋白，然后流向MoSe2。这种能量转移模拟自然光捕获系统，其中表面发色团(在这种情况下，QD)吸收光并将收集的能量引导至中间发色团(此处为APC)并最终引导至反应中心(此处为MoSe2)。

为了结合不同的组件，科学家应用了静电自组装技术，这是一种基于带电粒子之间相互作用的技术(相反的电荷吸引;像电荷排斥一样)。然后，他们使用专门的光学显微镜探测通过纳米复合材料的能量转移。这些测量结果表明，添加APC蛋白质层可使纳米复合物与单层MoSe2的能量转移效率提高30%。他们还测量了纳入混合到制造的FET中的纳米混合物的光响应，发现它相对于仅含有一种成分的FET显示出最高的响应度，产生的光电流量是入射光的两倍以上。

“在生物 - 非生物杂交种中，更多的光被转移到MoSe2，”第一作者和研究员李明星说道，他正在CFN软和生物纳米材料集团的Cotlet工作。“增加的光传输与MoSe2中的高电荷载流子迁移率相结合意味着太阳能电池器件中的电极将收集更多的载流子。这种组合有望提高器件效率。”

科学家们提出，在QD和MoSe2之间加入APC会产生“漏斗状”能量转移效应，因为APC优先定向自身相对于MoSe2的方式。

“我们相信这项研究是首次涉及二维过渡金属半导体的级联生物 - 非生物纳米混合物的示范之一，”李说。“在后续研究中，我们将与理论家合作，更深入地了解这种增强能量转移的潜在机制，并确定其在能量收集和生物电子学中的应用。”