Во второй раз за этот год ученые подтверждают правоту моряка Папайи, диснеевского героя, считавшего шпинат самым полезным продуктом в мире. Но если недавно шведскими биологами было доказано, что шпинат действительно увеличивает мышечную силу, то теперь эта трава показала себя с совершенно неожиданной стороны. С ее помощью химики США из Университета Вандербильта сумели создать фотоэлемент, который превращает свет в электричество намного эффективнее существующих биогибридных устройств сходного типа.
В последнем номере журнала Advanced Materials исследователи рассказывают, что им удалось создать биогибридный солнечный элемент, соединив кремний и белок шпината, участвующий в фотосинтезе.
Белок называется PS1 — и он действительно уникален. Открыт он был более сорока лет назад и сразу привлек к себе внимание тем, что, даже будучи изолирован, продолжает превращать солнечный свет в электрическую энергию, причем делает это почти со стопроцентным КПД. Напомним, что даже сегодня КПД самых продвинутых фотоэлементов не превышает 40 процентов.
Дополнительным преимуществом фотоэлементов на основе PS1 была их дешевизна: для их изготовления не потребовались бы такие дорогостоящие материалы, как платина или индий.
Поэтому именно тогда, сорок лет назад, во многих лабораториях мира и начались первые попытки использовать белок PS1 для получения электричества.
Проблема оказалась не из легких, так как в качестве фотоэлемента PS1 не выдерживал критики. Во-первых, получаемые с его помощью устройства сильно уступали в мощности коммерческим фотоэлементам. Во-вторых, белок распадался уже через пару недель работы. Правда со второй проблемой группе из Университета Вандербильта удалось частично справиться еще в 2010-м году: тогда им удалось создать «шпинатовую» солнечную батарею, способную работать до девяти месяцев. По словам Дэвида Клиффела, одного из главных авторов статьи в Advanced Materials, они никогда не сомневались, что можно достичь куда более впечатляющего срока службы, надо только следовать за природой. «Природа очень хорошо знает, как это сделать, — говорит он. – В вечнозеленых растениях такой белок живет годами, и нам остается только понять, как это делается».
И наконец, произошел прорыв:
вандербильтовской группе удалось наладить контакт PS1 с кремнием до такой степени, что уже появилась возможность говорить о коммерческом будущем новой солнечной батареи.
«Эта комбинация производит ток, почти в тысячу раз превышающий то, что нам удавалось получать, соединяя этот белок с различными металлами. Она также создает несколько большее напряжение», — объясняет Клиффелл. Новый «шпинатовый» фотоэлемент позволил снимать с одного квадратного сантиметра ток величиной 850 микроампер при напряжении 0,3 вольта.
Секрет успеха заключается в присадках, меняющих электрические свойства кремниевой подложки.
Выяснилось, что PS1 предпочитает кремний, поверхность которого заряжена положительно. Чтобы создать из этой комбинации солнечную батарею, ученые выделяли белок из листьев шпината, растворяли его в воде и обливали этим раствором кремниевую подложку. Затем они помещали ее в вакуумную камеру, где вода испарялась, оставляя на поверхности кремния тонкую белковую пленку. Методом проб и ошибок было выяснено, что оптимальная толщина этой пленки должна составлять около микрона.
PS1 встречается отнюдь не только в шпинате. Это универсальный протеин, и его шпинатовое происхождение в известной мере случайно. Группа Клиффела, например, уже планирует поэкспериментировать с PS1, выделенным из растения кудзу.