30561

ساخت و مشخصه يابي سلولهاي خورشيدي زيستي بر پايه فتوسيستم 1 و فتوسيستم 2 و ديگر مواد زيستي

دكتري تخصصي (PhD)

فيزيك- حالت جامد و ماده چگال

1394

1402/11/15

مهدي اسماعيل زاده

رسول اژئيان

فيزيك

سلولهاي خورشيدي حالت جامد زيستي، سلولهاي خورشيدي جديد سازگار با محيط زيست هستند كه از پديده فتوسنتز الهام گرفته شدهاند. فتوسيستم 1 (يك پروتئين پيچيده واقع در كلروپلاست برگهاي گيـ اه كه نقش اصلي در جذب نور دارد) رايجترين جاذب نور مورد استفاده در اين نوع سلولهاي خورشيدي است. در كار ما فتوسيستم 1 از برخي گياهان به راحتـ ي در دسـترس از جملـه اسـفناج، ,sim chye ,Oh-Tung نـور جـذب طيـف و شده استخراج romaine lettuce و local endive, beet greens, leek, Swiss chard آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. نشان داده شده است كه گاف نوري فتوسيستم 1 استخراج شده از همه اين گياهان حدود 1/8 الكترون ولت است كه نشاندهنده پتانسيل خوب اين گياهان براي استفاده در سلول- هاي خورشيدي زيستي است. بررسيهاي ما نشان ميدهند كه اسفناج به دليل جذب نور بيشتـر ، بهتـر ين گياه براي اين نوع از سلولهاي خورشيدي است. همچنين اثر دما بر جذب نور توسط فتوسيستم 1 استخراج شده از اسفناج بررسي شد و نشان داده شد كه جذب نور فتوسيستم 1 در دماهاي بالا به طور قابل تـوجه ي كاهش مييابد. علاوهبراين، اثر محيطهاي قليايي و اسيدي بر روي جـذب نـور توسـط فتوسيسـتم 1 مـورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد كه تنش pH قليايي اثر مخربي بر جذب نور ندارد، در حالي كه تـنش pH اسيدي باعث كاهش قابل توجه جذب نور ميشود كه در ساخت سلولهاي خورشيدي زيستي مهم است. بازده پايين و چگالي جريان كم، چالشهاي اصلي در سلولهاي خورشيدي زيستي هستند. در كار مـا بـرا ي تسهيل حركت الكترونها و حفرهها از نانولوله هاي كربني و تايروزين به عنوان لايههاي انتقالدهنده و براي افزايش جذب نور از محلول فتوسيستم 1 و نانوذرات نقره به عنوان لايه جاذب استفاده شد. چگـال ي جريـ ان 2 اتصال كوتاه و بازده را به ترتيب به cm/mA 6/61 و 0/83 درصد بـه دسـت آورديـم كـه بـالاتر ين مقـاد ير چگالي جريان و بازده گزارش شده براي اين نوع سلول خورشيدي هستند. ايـ ن مقـادير بـه دل يـ ل رسـانا يي الكتريكي بالاي نانولولههاي كربني، تخلخل مناسب تايروزين، و پديده تشـديد پلاسـمون سـطح ي نـانوذرات نقره است. همچنين با استفاده از محاسبات عددي نيز نشان داده شد كه تركيبات دوبعدي مانند سيليگرافنها به علت دارا بودن خاصيت جذب نور مناسب در همه طيفهاي نوري ميتوانند گزينههاي خـوبي بـراي اسـتفاده در سلول خورشيدي باشند.

1402/11/28

Fabrication and characterization of biophotovoltaic solar cells based on photosystem I and photosystem II and other biological materials

2/3/2025 12:00:00 AM

Biophotovoltaic solid-state solar cells are new environmentally friendly solar cells inspired by photosynthesis phenomena. Photosystem I, a complex protein located in the chloroplast of the plant leaves that has a principal role in light absorption, is the most common light absorber used in biophotovoltaic solid state solar cells. Herein, PSI is extracted from some easily accessible plants, including spinach, Tung-Oh, chye sim, local endive, beet greens, leek, Swiss chard, and romaine lettuce, and their light absorbance properties are studied. It is shown that the optical bandgap of PSI extracted from all of these plants is about 1.8 eV which indicates the potential of these plants for use in biohybrid solar cells. It is shown that, due to the higher light absorbance, spinach is the best plant for this kind of solar cells. Also, the effect of temperature on light absorbance of PSI extracted from spinach is investigated and shows that the light absorbance of PSI considerably decreases at high-temperature values. Furthermore, alkaline and acidic environments on PSI light absorbance are studied and shows that the alkaline pH stress has no destructive effect on light absorbance, while the acidic pH stress causes a considerable decrease in light absorbance which is important in biohybrid solar cell fabrication. Low efficiency and low current density are the main challenges in this kind of solar cell. Herein, to vacillate the motion of electrons and holes, carbon nanotubes and tyrosine are used as transfer layers and to increase light absorbance, a solution of Photosystem I with silver nanoparticles as an absorber layer is used. It is shown that the short circuit current density and the efficiency can be enhanced to 6.61 mA/cm2 and 0.83%, respectively which are the highest values for current density and efficiency reported for this kind of solar cell. These enhancements are due to the high electrical conductivity of carbon nanotubes, proper porosity of tyrosine, and the localized surface plasmon resonance of silver nanoparticles induced under light irradiation. The results can illuminate hopes and dreams for biophotovoltaic solid- state solar cells with higher current density and higher efficiency. Also, using numerical calculations, it was shown that two-dimensional compounds such as siligraphenes can be good options for use in solar cells due to their proper light absorption properties

فتوسيستم , فتوسنتز , سلول خورشيدي زيستي , نانوذرات نقره

photosystem , photosynthesis , biophotovoltaic , silver nanoparticles

Saeid Amjadian

Mahdi Esmaeilzadeh