Photovoltaics

BIOPHOTOVOLTAICS

Neben organischen und anorganischen Halbleitern, die praktische Wirkungsgrade und kommerzielle Anwendungen erreicht haben, wird die Verwendung von photosynthetischem Material in künstlichen Geräten zur Umwandlung von Lichtenergie hauptsächlich demonstriert1. Derzeit wird die Anwendbarkeit der biologischen Maschinen der Photosynthese als aktives Solarzellenmaterial zunehmend anerkannt. Der Hauptvorteil besteht darin, dass diese molekularen Systeme bereits in über 3 Milliarden Jahren Evolution für die leichte Ernte und Ladungsabtrennung optimiert wurden. Theoretisch kann die Verwendung photosynthetischer Proteine zu biophotovoltaischen Bauelementen mit Leerlaufspannungen von mehr als 1 V und unbegrenzten Elektronentransferraten1 führen. Die Verwendung photosynthetischer Proteine als Solarzellenmaterial kann letztendlich die kostengünstigsten Photovoltaikgeräte liefern, da diese wichtigen Bausteine aus Organismen wie Algen in großem Maßstab gewonnen werden können. Die für die Photovoltaik entwickelte Biophotoelektrode kann auch für die chemische Kraftstoffherstellung2 und für neuartige Sensorkonzepte eingesetzt werden.
Zu diesem Zweck entwickeln wir Redox-Hydrogele für die hocheffiziente elektrische Kontaktierung und Stabilisierung des natürlichen photosynthetischen Proteins in künstlichen Geräten. Während frühe Vorrichtungen nur einen geringen Wirkungsgrad ergaben, führte die Feinabstimmung von Elektronenmediatoren mit Redoxpotentialen, die an das des Proteins angepasst waren, zu einer Verbesserung der beiden Photoströme 4 und der Spannungen 5 um mehrere Größenordnungen. Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern (W. Schuhmann, M. Nowaczyk und M. Rögner) haben wir gezeigt, dass Elektronen, die von photosynthetischen Proteinen bereitgestellt werden, an künstlichen Leitmaterialien noch schneller zurückgewonnen werden können als bei der natürlichen Photosynthese selbst4. Die Möglichkeit, diese Leistungen weiter zu verbessern, erhöht die Erwartung, dass biophotovoltaische Geräte schließlich einen praktischen Wirkungsgrad erreichen, um elektrische Energie sowohl in High-Tech-Geräten, wie biokompatible Photovoltaik in intelligenten Kontaktlinsen 6, als auch in Low-Tech-Großzellen, die "lackiert" sind, bereitzustellen, was neue Wege für das Cost-per-Watt-Rennen in der elektrischen Energieerzeugung 7 eröffnet.

Photocathode

  1. Plumeré, N. Nature Nanotech. 2012, 7 (10), 616–617.
    DOI: 10.1038/nnano.2012.175

  2. Zhao F., Conzuelo F., Hartmann V., Li H., Nowaczyk M. M., Plumeré N., Rögner M., Schuhmann W., J. Phys. Chem. B, 2015, 119 (43), 13726–13731.
    DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b03511

  3. Kothe, T.; Plumeré, N.; Badura, A.; Nowaczyk, M. M.; Guschin, D. A.; Rögner, M.; Schuhmann, W., Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52 (52), 14233–14236.
    DOI: 10.1002/anie.201303671

  4. Kothe T., S. Pöller, F. Zhao, P. Fortgang, M. Rögner, W. Schuhmann, N. Plumeré Chemistry - A European Journal, 2014, 20, 11029–11034.
    DOI: 10.1002/chem.201402585

  5. Hartmann V.,Kothe T., Pöller S., El-Mohsnawy E., Nowaczyk M. M., Plumeré N., Schuhmann W.,Rögner M., Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 11936-11941.
    DOI: 10.1039/C4CP00380B

  6. Ravilious K, Clothes that recharge your laptop – the near-endless possibilities of artificial leaves.
    Horizon, The research & innovation magazine of the European commission. 16 October 2014

  7. Plumeré et al., Researchers forecast an Ebola vaccine and low-cost solar cells in 2015.
    Horizon, The research & innovation magazine of the European commission, 5 January 2015