(PhysOrg.com) - Los investigadores del MIT han encontrado una manera de realizar mejoras significativas en la eficiencia de conversión de energía de las células solares al contratar los servicios de pequeños virus para realizar un trabajo de ensamblaje detallado a nivel microscópico.

En una celda solar la luz del sol golpea un material que recoge la luz, haciendo que libere electrones que pueden aprovecharse para producir una corriente eléctrica. La nueva investigación del MIT, publicado en línea esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza , se basa en los hallazgos de que los nanotubos de carbono, microscópicos, Cilindros huecos de carbono puro:pueden mejorar la eficiencia de la recolección de electrones de la superficie de una célula solar.

Intentos previos de usar los nanotubos, sin embargo, se había visto frustrado por dos problemas. Primero, la fabricación de nanotubos de carbono generalmente produce una mezcla de dos tipos, algunos de los cuales actúan como semiconductores (a veces permiten que fluya una corriente eléctrica, a veces no) o metales (que actúan como alambres, permitiendo que la corriente fluya fácilmente). La nueva investigación, por primera vez, mostró que los efectos de estos dos tipos tienden a ser diferentes, porque los nanotubos semiconductores pueden mejorar el rendimiento de las células solares, pero los metálicos tienen el efecto contrario. Segundo, los nanotubos tienden a agruparse, lo que reduce su eficacia.

Y ahí es donde los virus vienen al rescate. Los estudiantes de posgrado Xiangnan Dang y Hyunjung Yi - trabajando con Angela Belcher, el Profesor W. M. Keck de Energía, y varios otros investigadores, encontraron que una versión modificada genéticamente de un virus llamado M13, que normalmente infecta a las bacterias, se puede utilizar para controlar la disposición de los nanotubos en una superficie, mantener los tubos separados para que no puedan cortocircuitar los circuitos, y mantener los tubos separados para que no se agrupen.

El sistema que los investigadores probaron utilizó un tipo de célula solar conocida como células solares sensibilizadas por colorante, un tipo ligero y económico donde la capa activa está compuesta de dióxido de titanio, en lugar del silicio utilizado en las células solares convencionales. Pero la misma técnica también podría aplicarse a otros tipos, incluyendo células solares orgánicas y de puntos cuánticos, dicen los investigadores. En sus pruebas, la adición de las estructuras creadas por virus mejoró la eficiencia de conversión de energía a un 10,6 por ciento desde un 8 por ciento, casi una mejora de un tercio.

Esta espectacular mejora tiene lugar a pesar de que los virus y los nanotubos constituyen solo el 0,1 por ciento en peso de la célula terminada. "Un poco de biología ayuda mucho, ”Dice Belcher. Con más trabajo, los investigadores creen que pueden aumentar aún más la eficiencia.

Los virus se utilizan para ayudar a mejorar un paso en particular en el proceso de convertir la luz solar en electricidad. En una celda solar el primer paso es que la energía de la luz desprenda electrones del material de la célula solar (generalmente silicio); luego, esos electrones deben canalizarse hacia un colector, a partir de la cual pueden formar una corriente que fluye para cargar una batería o alimentar un dispositivo. Después, vuelven al material original, donde el ciclo puede comenzar de nuevo. El nuevo sistema está destinado a mejorar la eficiencia del segundo paso, ayudando a los electrones a encontrar su camino:agregar los nanotubos de carbono a la celda “proporciona una ruta más directa al colector de corriente, ”Dice Belcher.

En realidad, los virus realizan dos funciones diferentes en este proceso. Primero, poseen proteínas cortas llamadas péptidos que pueden unirse fuertemente a los nanotubos de carbono, manteniéndolos en su lugar y manteniéndolos separados entre sí. Cada virus puede contener de cinco a 10 nanotubos, cada uno de los cuales se mantiene firmemente en su lugar por aproximadamente 300 de las moléculas de péptidos del virus. Además, el virus fue diseñado para producir una capa de dióxido de titanio (TiO2), un ingrediente clave para las células solares sensibilizadas con colorante, sobre cada uno de los nanotubos, colocando el dióxido de titanio muy cerca de los nanotubos en forma de alambre que transportan los electrones.

Las dos funciones se llevan a cabo sucesivamente por el mismo virus, cuya actividad se “conmuta” de una función a la siguiente cambiando la acidez de su entorno. Esta función de conmutación es una nueva capacidad importante que se ha demostrado por primera vez en esta investigación. Dice Belcher.

Además, los virus hacen que los nanotubos sean solubles en agua, lo que permite incorporar los nanotubos a la célula solar mediante un proceso a base de agua que funciona a temperatura ambiente.

Prashant Kamat, profesor de química y bioquímica en la Universidad de Notre Dame que ha realizado un extenso trabajo en células solares sensibilizadas con colorantes, dice que mientras que otros han intentado utilizar nanotubos de carbono para mejorar la eficiencia de las células solares, “Las mejoras observadas en estudios anteriores fueron marginales, "Mientras que las mejoras del equipo del MIT que utilizan el método de ensamblaje de virus son" impresionantes ".

“Es probable que el ensamblaje de la plantilla del virus haya permitido a los investigadores establecer un mejor contacto entre las nanopartículas de TiO2 y los nanotubos de carbono. Un contacto tan estrecho con las nanopartículas de TiO2 es esencial para alejar rápidamente los electrones fotogenerados y transportarlos de manera eficiente a la superficie del electrodo colector ”.

Kamat cree que el proceso bien podría conducir a un producto comercial viable:"Las células solares sensibilizadas por colorante ya se han comercializado en Japón, Corea y Taiwán, ”, Dice. Si la adición de nanotubos de carbono a través del proceso del virus puede mejorar su eficiencia, "Es probable que la industria adopte tales procesos".

Belcher y sus colegas han utilizado anteriormente versiones diseñadas de forma diferente del mismo virus para mejorar el rendimiento de las baterías y otros dispositivos. pero el método utilizado para mejorar el rendimiento de las células solares es bastante diferente, ella dice.

Debido a que el proceso solo agregaría un simple paso a un proceso estándar de fabricación de células solares, Debería ser bastante fácil adaptar las instalaciones de producción existentes y, por lo tanto, debería ser posible implementarlas con relativa rapidez. Dice Belcher.