27775

ساخت و بهينه سازي سلول هاي خورشيدي مبتني بر پروتئين هاي زيستي نانو ساختار

دكتري تخصصي (Ph. D)

فيزيك گرايش حالت جامد

1394

1401/4/22

دكتر ادريس فيض‌آبادي، دكتر غلامحسين رياضي

رسول اژئيان

فيزيك

در سال هاي پسين تكنولوژي سلول هاي خورشيدي، سازوكار سلول هاي زيستي مبتني بر مجموعه پروتئيني نانوساختار فتوسيستم 1، تحت بررسي ويژه اي قرار گرفته اند. اما راندمان پايين اين سلول ها، كاربرد اين ماده را در معماري سلول هاي فتوولتائيك محدود كرده است. درحالي كه اين پروتئين غشايي، شركت كننده در طرح z فتوسنتز در گياهان، جلبك ها و برخي باكتري ها، به عنوان يك فتوديود طبيعي سازگار با محيط زيست و عدم توليد پسماند هاي مضر، قابليت جذب 56-47% انرژي فوتون نور با بازده كوانتومي 100% و توليد حامل هاي بار آزاد با اختلاف پتانسيلي به بزرگي تقريبا 1 ولت در كنار فراواني طبيعي فتوسيستم 1 با ابعاد نانومتري بي نقص آن با دو بخش دهنده-گيرنده الكترون، مي تواند يك گزينه ي مناسب براي استفاده به عنوان لايه ي فعال در تكنولوژي سلول هاي خورشيدي ارزان قيمت باشد. در اين رساله ي دكتري با بينش عميق تر از ساختار و ساز و كار اين كمپلكس ماكرومولكولي پيچيده، تكنيك هاي فيزيكي و شيميايي ممكن براي بهبود عملكرد لايه ي فعال پروتئيني و بهينه سازي عملكردي اين سلول هاي خورشيدي زيستي بررسي شده است. در گام نخست، با توجه به ساختار دو قطبي اين كمپلكس پروتئيني- رنگدانه اي و امكان سنجي براي آرايش و جهت دهي بهينه به مجموعه اي از اين دو قطبي ها در يك انباشت چند لايه اي (Multilayer) با حفظ و رعايت شرايط دمايي و حيات اين ماكرو مولكول ها زيستي، تكنيك فيزيكي عمليات ميدان الكتريكي خارجي در دستور كار قرار گرفت. با استفاده از ميدان الكتريكي تقريبا يكنواخت بين صفحات يك خازن تحت و بررسي اثر پارامتر هاي ميدان شامل نوع ميدان (پالسي-پيوسته)، شدت يا قدرت ميدان (ولتاژ باياس)، مدت زمان اعمال ميدان و جهت باياس بر روي پارامتر هاي عملكردي سلول هاي طراحي شده و مقايسه با نمونه ي كنترل تحت عمل قرار نگرفته، بهينه سازي هاي لازم انجام شد. نتايج نشان داده اند كه به دليل هم خط شدن بردار هاي گشتاور دو قطبي فتوسيستم1 با جهت ميدان الكتريكي خارجي اعمال شده، ولتاژ و جريان خروجي از سلول و در نتيجه راندمان سلول افزايش يافته است. به علاوه، بررسي پارامتر هاي ميدان نشان مي دهند كه با كنترل روي قدرت ميدان در حالت پالسي، نانو ساختار فتوسيستم 1 مي تواند به عنوان يك لايه ي فعال با قطبيدگي قابل قبول با توليد جريان خروجي به ميزان A/m2 40 عمل كند. با بررسي رفتار زماني سلول ها تحت عمل ميدان خارجي، مي توان بهينه ي زمان لازم براي چرخش و تغيير جهت اين دو قطبي ها با نرخ چرخش پايين طبيعي را همسو با جهت ميدان اعمالي تخمين زد. نتايج نشان دادند كه با افزايش ولتاژ باياس به 400 ولت در پهناي باياس بهينه ي 60 ثانيه احتمال آرايش مطلوب دو قطبي ها و راندمان بهبود يافته ي سلول هاي فتوولتائيك زيستي تا به اندازه ي يك افزايش چهاربرابري مشاهده مي شود. همچنين نشان داده شد كه با تغيير جهت باياس، عملكرد سلول دچار تغييرات قابل اندازه گيري اي مي شود. درگام بعدي و در راستاي بهبود لايه ي فعال و نهايتا بهبود راندمان سلول، افزايش ميزان جذب نور اين فتوديود طبيعي مورد توجه قرار گرفت. با تكنيك شيميايي موسوم به پگيليشن از طريق اتصال يك پليمر خاص(پلي اتيلن گلايكل) به كمپلكس پروتئيني فتوسيستم 1 با انتخاب يك گروه كار كردي (ارتوپريديل دي سولفيد) سازگار با ساختار فتوسسيتم 1 و از محل بقاياي سيستئين و سولفوهيدريل هاي آزاد آن، به واسطه ي اصلاحات ساختاري، ضريب جذب مولي كمپلكس به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش يافت. توافق خوب نتايج آناليز هاي مختلف ساختاري بعد از فرآيند پگيلاسيون و بهبودي ساختاري قابل قبول نسبت به پروتئين دست نخورده (Native)، از موفقيت پگيلاسيون پروتئين فتوسسيتم1 خبر داد. اين اصلاح ساختاري لايه ي فعال پروتئيني، نويد بهبودي در عملكرد سلول فتوولتائيك نهايي را مي داد. نتايج تاييد كردند كه در حضور پروتئين پگيله شده، با افزايش درجه كريستالي و تقويت ضريب جذب مولي، در پارامتر هاي عملكردي سلول طراحي شده بهبودي قابل ملاحظه اي مشاهده شد. همچنين با افزايش غلظت پروتئين فتوسيستم 1 دست نخورده در مرحله ي پروسه ي استخراج آن، توانستيم نتايج بهتري را براي پروتئين هاي پگيله شده با طول زنجيره ي ثابت پليمر پگ ولي با غلظت بالاتر ثبت كنيم. در پايان براي اعتبارسنجي به نتايج تجربي بدست آمده با شرايط اعمال ميدان الكتريكي، مطالعات عددي را با استفاده از برنامه ي شبيه سازي SCAPS انجام داديم كه نتايج، سازگاري قابل قبولي را با نتايج تجربي نشان دادند. در مرحله ي نو آوري(Novelty) براي بهينه سازي بيشتر سلول ها در ساختار هايي با استفاده از لايه هاي مناسب انتقال دهنده حفره، مطالعات پارامتريك انجام و محدوده هاي بهينه گزارش شده اند. واژه‌هاي كليدي:مجموعه پروتئيني فتوسيستم 1- ساختار دوقطبي الكتريكي- ميدان الكتريكي خارجي پالسي- پگيلاسيون –شبيه سازي SCAPS

1401/09/04

Fabrication and optimization of solar cells based on nanostructural bio-proteins

7/13/2023 12:00:00 AM

In recent years of solar cell technology, the mechanism of biological cells based on the photosystem I (PSI) nanostructured protein complex have been specially studied. However, the low efficiency of these cells has limited the use of such material in the architecture of photovoltaic cells.While such membrane protein, participating in the z photosynthesis scheme in plants, algae and some bacteria is known as an environmentally friendly natural photodiode without producing harmful wastes. The ability to absorb 47-56% of the photon energy of light with a quantum efficiency of 100 % and the production of free charge carriers with approximately 1 volt potential difference is reported.The natural abundance of photosystem I, with its perfect nanometer dimensions containing two electron donor-acceptor components, could be a good option for use as an active layer in inexpensive solar cell technology. In this thesis, with a deeper insight on the structure and mechanism of such macromolecular complex, possible physical and chemical techniques have been investigatedto improve the function of the protein active layer and optimize the biological solar cell performance. In the first step, according to the dipole structure of such protein-pigment complex and the feasibility for optimal arrangement and orientation of PSI dipoles in a multilayer deposition, the physical technique of external electric field treatment was employed by maintaining the temperature and life conditionsof these biological macromolecules.Using an almost uniform electric field between the plates of a flat capacitor has been performed the necessary optimizations through investigating the effect of field parameters including field type (pulse-continuous), field strength (bias voltage), duration of applied field and bias direction on the cell functional parameters compared to the control sample. The results showed that the enhancement of cell functional parameters can be achieved due to the alignment of the PSI dipole momentum vectors in field direction. In addition, the results showed that by controlling the pulsed field strength, the photosystem I nano-structure can act as an active layer in order to product the efficient output current up to 40 Am-2. By examining the temporal behavior of cells under external field action, it is possible to estimate the optimal time required to rotate and change the direction of these dipoles at a normal low rotation rate in line with the direction of the applied field. The results showed that with increasing the bias voltages to 400 V, the favorable arrangement probability occurs at an optimal bias width of 60 seconds. It was also shown that by changing the bias direction, cell function can be undergone measurable changes. In the next step, to improve the active layer and ultimately cell efficiency, increasing the amount of light absorption and stability of this natural photodiode was considered.Hence, the chemical technique called pegylation has been employed by attaching a special polymer (polyethylene glycol) to the PSI protein complex through selecting a functional group (orthoperidyl disulfide) compatible with the structure of photosystem I. such a approach has exploited from the site of cysteine residues and PSI free sulfhydryls.Due to structural modifications, the molar absorption coefficient of the complex increased significantly. Good agreement between the results of various structural analyzes after the pegylation process and acceptable structural improvement relative to the intact protein, was indicating the success of photosystem I protein conjugation. Such structural modification of the protein active layer promised to improve the performance of the final photovoltaic cell.The results confirmed that in the presence of pegylated protein, by increasing the crystalline degree and strengthening the molar absorption coefficient, a significant improvement in the functional parameter of the designed cell was observed.Also, by increasing the concentration of native photosystem I protein in the extraction process, we were able to record better results for pegylated proteins with a fixed polymer peg chain length but at a higher concentration. Finally, to validate the experimental results obtained with the electric field treatments, we performed numerical studies using the SCAPS simulation program, which showed acceptable compatibility with the experimental results.In the Novelty phase, parametric studies have been performed and optimal ranges have been reported to further optimize cells in structures using suitable hole-transporting layers. Keywords: Photosystem I protein complex, Electrical dipole structure, Pulsed external electric field, Pegylation, SCAPS simulation.

مجموعه پروتئيني فتوسيستم 1 , ساختار دوقطبي الكتريكي , ميدان الكتريكي خارجي پالسي , پگيلاسيون , شبيه سازي SCAPS

Photosystem I protein complex , Electrical dipole structure , Pulsed external electric field , Pegylation , SCAPS simulation

Maryam Habibi

Dr. Edris Faizabadi, Dr. Gholamhossein Riazi, Dr. Rasul Ajeian