(PhysOrg.com) -- I ricercatori del MIT hanno trovato un modo per apportare miglioramenti significativi all'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari arruolando i servizi di minuscoli virus per eseguire un lavoro di assemblaggio dettagliato a livello microscopico.

In una cella solare, la luce del sole colpisce un materiale che raccoglie la luce, inducendolo a rilasciare elettroni che possono essere sfruttati per produrre una corrente elettrica. La nuova ricerca del MIT, pubblicato online questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , si basa sui risultati che i nanotubi di carbonio — microscopici, cilindri cavi di carbonio puro:possono migliorare l'efficienza della raccolta di elettroni dalla superficie di una cella solare.

I precedenti tentativi di utilizzare i nanotubi, però, era stato ostacolato da due problemi. Primo, la realizzazione di nanotubi di carbonio produce generalmente un mix di due tipi, alcuni dei quali fungono da semiconduttori (talvolta consentendo il passaggio di una corrente elettrica, a volte no) o metalli (che si comportano come fili, permettendo alla corrente di fluire facilmente). La nuova ricerca, per la prima volta, hanno mostrato che gli effetti di questi due tipi tendono ad essere diversi, perché i nanotubi semiconduttori possono migliorare le prestazioni delle celle solari, ma quelli metallici hanno l'effetto opposto. Secondo, i nanotubi tendono ad aggregarsi, che ne riduce l'efficacia.

Ed è qui che i virus vengono in soccorso. Gli studenti laureati Xiangnan Dang e Hyunjung Yi — lavorando con Angela Belcher, il W. M. Keck Professore di Energia, e molti altri ricercatori hanno scoperto che una versione geneticamente modificata di un virus chiamato M13, che normalmente infetta i batteri, può essere utilizzato per controllare la disposizione dei nanotubi su una superficie, mantenendo i tubi separati in modo che non possano cortocircuitare i circuiti, e tenendo i tubi distanziati in modo che non si raggruppino.

Il sistema testato dai ricercatori utilizzava un tipo di cella solare nota come celle solari sensibilizzate al colorante, un tipo leggero ed economico in cui lo strato attivo è composto da biossido di titanio, piuttosto che il silicio utilizzato nelle celle solari convenzionali. Ma la stessa tecnica potrebbe essere applicata anche ad altri tipi, comprese le celle solari a punti quantici e organiche, dicono i ricercatori. Nei loro test, l'aggiunta delle strutture costruite dai virus ha migliorato l'efficienza di conversione dell'energia al 10,6 percento dall'8 percento, un miglioramento di quasi un terzo.

Questo notevole miglioramento avviene anche se i virus ei nanotubi costituiscono solo lo 0,1 percento in peso della cellula finita. “Un po' di biologia fa molto, "Dice Belcher. Con ulteriore lavoro, i ricercatori pensano di poter aumentare ulteriormente l'efficienza.

I virus vengono utilizzati per aiutare a migliorare un particolare passaggio nel processo di conversione della luce solare in elettricità. In una cella solare, il primo passo è che l'energia della luce faccia cadere gli elettroni dal materiale della cella solare (solitamente silicio); poi, quegli elettroni devono essere incanalati verso un collettore, da cui possono formare una corrente che scorre per caricare una batteria o alimentare un dispositivo. Dopo di che, ritornano al materiale originale, dove il ciclo può ricominciare. Il nuovo sistema ha lo scopo di migliorare l'efficienza della seconda fase, aiutare gli elettroni a trovare la loro strada:l'aggiunta di nanotubi di carbonio alla cella "fornisce un percorso più diretto al collettore di corrente, "Dice Belcher.

I virus in realtà svolgono due diverse funzioni in questo processo. Primo, possiedono brevi proteine ​​chiamate peptidi che possono legarsi strettamente ai nanotubi di carbonio, tenendoli in posizione e tenendoli separati l'uno dall'altro. Ogni virus può contenere da 5 a 10 nanotubi, ognuna delle quali è tenuta saldamente in posizione da circa 300 molecole peptidiche del virus. Inoltre, il virus è stato progettato per produrre un rivestimento di biossido di titanio (TiO2), un ingrediente chiave per le celle solari sensibilizzate al colorante, su ciascuno dei nanotubi, mettendo il biossido di titanio nelle immediate vicinanze dei nanotubi filiformi che trasportano gli elettroni.

Le due funzioni sono svolte in successione dallo stesso virus, la cui attività viene “passata” da una funzione all'altra modificando l'acidità del suo ambiente. Questa funzione di commutazione è una nuova importante capacità che è stata dimostrata per la prima volta in questa ricerca, dice Belcher.

Inoltre, i virus rendono i nanotubi solubili in acqua, che consente di incorporare i nanotubi nella cella solare utilizzando un processo a base d'acqua che funziona a temperatura ambiente.

Prashant Kamat, un professore di chimica e biochimica all'Università di Notre Dame che ha svolto un ampio lavoro sulle celle solari sensibilizzate con coloranti, afferma che mentre altri hanno tentato di utilizzare i nanotubi di carbonio per migliorare l'efficienza delle celle solari, “i miglioramenti osservati negli studi precedenti erano marginali, " mentre i miglioramenti del team del MIT che utilizzano il metodo di assemblaggio dei virus sono "impressionanti".

“È probabile che l'assemblaggio del modello del virus abbia consentito ai ricercatori di stabilire un contatto migliore tra le nanoparticelle di TiO2 e i nanotubi di carbonio. Un contatto così ravvicinato con le nanoparticelle di TiO2 è essenziale per allontanare rapidamente gli elettroni fotogenerati e trasportarli in modo efficiente sulla superficie dell'elettrodo di raccolta”.

Kamat pensa che il processo potrebbe portare a un prodotto commerciale praticabile:"Le celle solari sensibilizzate con colorante sono già state commercializzate in Giappone, Corea e Taiwan, "dice. Se l'aggiunta di nanotubi di carbonio attraverso il processo virale può migliorare la loro efficienza, "è probabile che l'industria adotti tali processi".

Belcher e i suoi colleghi hanno precedentemente utilizzato versioni dello stesso virus progettate in modo diverso per migliorare le prestazioni di batterie e altri dispositivi, ma il metodo utilizzato per migliorare le prestazioni delle celle solari è abbastanza diverso, lei dice.

Poiché il processo aggiungerebbe solo un semplice passaggio a un processo di produzione standard di celle solari, dovrebbe essere abbastanza facile adattare gli impianti di produzione esistenti e quindi dovrebbe essere possibile implementare in tempi relativamente brevi, dice Belcher.