مروری بر حساس‌کننده‌های باکتریایی قابل استفاده در ابزارهای فوتوولتائیک

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 استادیار، الف)گروه پژوهشی مواد رنگزای آلی؛ ب) قطب علمی رنگ، پژوهشگاه رنگ

2 استادیار، گروه پژوهشی محیط زیست و رنگ، پژوهشگاه رنگ

چکیده

بیش از 5/3 بیلیون سال است که پروتئین‌‌ها و مواد طبیعی، در اثر دریافت نور، انرژی تولید می‌‌کنند. استفاده از مهندسی ژنتیک و تهیه مواد رنگزای زیستی، مجموعه‌‌ای از ترکیبات جدید دارای ویژگی‌‌های منحصربه‌‌فرد را ارائه کرده است. سلول‌‌های خورشیدی حساس‌شده به مواد رنگزای زیستی، نویدبخش تولید افزاره‌‌های کاملا زیستی برای تولید انرژی الکتریکی هستند. در این مقاله یک مطالعه جامع بر روی سازوکار استفاده از مواد رنگزای زیستی در سلول‌‌های خورشیدی بهبود یافته ارائه شده است. پروتئین‌‌ها، کلروفیل‌‌ها و کاروتنوئیدها در میان انواع حساس‌کننده‌‌های زیستی، بالاترین بازده تبدیل را در سلول خورشیدی نشان می‌‌دهند. مانند سایر حساس‌کننده‌‌ها، شکاف باند از ویژگی‌‌های مهم در عملکرد نهایی ترکیب نوری است. میانگین تئوری شکاف باند HOMO تا LOMO برای آنتوسیانین، کاروتنوئید، کلروفیل، سیانین، زانتین و کومارین به ترتیب 46/2، 22/5، 13/4، 13/1، 15/3 و 22/2 الکترون ولت است. هرچه شکاف باند حساس‌کننده، پایین‌‌تر باشد، تهییج الکترون لایه ظرفیت و تشکیل جفت الکترون- حفره تسهیل می‌‌گردد. بالاترین بازده تبدیل برای سلول خورشیدی حساس‌شده به ماده رنگزای زیستی PPB+Spx بوده و در حدود 4% می‌‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Review of Bacterial-sensitizers for Photovoltaic Devices

نویسندگان [English]

  • Mozhgan Hosseinnezhad 1
  • Seyed Masoud Etezad 2
1 a) Department of Organic Colorants; Institute for Color Science and Technology, b) Center of Excellence for Color Science and Technology
2 Environmental research Department, Institute for Color Science and Technology
چکیده [English]

Evolution has been optimizing proteins for light reception and energy conversion for more than 3.5 billion years. The use of genetic engineering and bio-dyes has provided an array of new materials that have enhanced properties. Dye-sensitized solar cells based on bio-photosensitizers (bio-sensitized DSSCs) are promising bio-photoelectronic devices for electrical energy preparation. In this paper, a comprehensive study was presented on the mechanisms involved in the utilization of bio-dyes for an improved bio-sensitized DSSCs performance. Protein complexes, and chlorophyll a and carotenoids are among many bio-photosensitizers demonstrating high incident photon-to-current efficiency (IPCE). Like other sensitizers, the band- gap is an important factor in final performance of the optical component. Theoretical-average HOMO-to-LUMO band-gaps of 2.46, 5.22, 4.13, 1.13, 3.15, and 2.22 eV were calculated for anthocyanin, carotenoid, chlorophyll, cyanine, xanthene, and coumarin, respectively. It is more probable that low dye band-gaps result in enhanced HOMO-electron excitation and e-h pair generation. The highest conversion efficiency for bio-DSSCs based on PPB+Spx is about 4%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bio-dyes
  • Dye-sensitized solar cells
  • Protein
  • Bacterial colorant
  • Sensitizer

مراجع

  1. 1. S. Shafiee, E. Topal, "When will fossil fuel reserves be diminished?", Energy Policy, 37, 181-189, 2009.
  2. 2. B. Parida, S. Iniyan, R. Goic, "A review of solar photovoltaic technologies", Renew. Sustain. Energy Rev., 15, 1625-1636, 2011.
  3. 3. م. حسین‌‌نژاد، م. قهاری، "مروری بر نانوکامپوزیت‌‌های دی‌‌اکسید تیانیم مورد استفاده در سلول خورشیدی حساس شده به مواد رنگزا"، نشریه مطالعات در دنیای رنگ، 9، 64-55، 1398.
  4. 4. D. Wu, W. Chen, T. Wang, F. Li, J. Li, E. Wang, "Synthesis of copper(II)–imidazole complex modified sandwich-type polyoxometalates for enhancing the power conversion efficiency in dye-sensitized solar cells", Dye Pig. 168, 151-159, 2019.
  5. 5. M. Hosseinnezhad, M. Ghahari, H. Shaki, J. Movahedi, "Investigation of DSSCs performance: The Effect of 1,8-naphthalimide Dyes and Na-doped TiO2", Prog. Color Colorants Coat. 13, 177-185, 2020.
  6. 6. م. حسین‌‌نژاد، "مروری بر عملکرد سلول خورشیدی حساس شده به مواد رنگزا دارای پلیمرهای شفاف"، نشریه علمی مطالعات در دنیای رنگ، 10، 10-1، 1399.
  7. 7. S. Mathew, A. Yella, P. Gao, R. Humphry-Baker, B.F.E. Curchod, N. Ashari-Astani, I. Tavernelli, U. Rothlisberger, M.K. azeeruddin, M. Gratzel, "Dye-sensitized solar cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensitizers", Nat. Chem. 6, 242-247, 2014.
  8. 8. V. Sugathan, E. John, K. Sudhakar, "Recent improvements in dye sensitized solar cells: a review", Renew. Sustain. Energy Rev. 52, 54-64, 2015.
  9. 9. A. Molaeirad, S. Janfaza, A. Karimi-Fard, B. Mahyad, "Photocurrent generation by adsorption of two main pigments of Halobacterium salinarum on TiO2 nanostructured electrode", Biotechnol. Appl. Biochem. 62, 121-125, 2015.
  10. 10. N. Ordenes-Aenishanslins, G. Anziani-Ostuni, M. Vargas-Reyes, J. Alarcon, A. Tello, J.M. Perez-Donoso, "Pigments from UV-resistant antarctic bacteria as photosensitizers in dye sensitized solar cells", J. Photochem. Photobiol. B Biol. 162, 707-714, 2016.
  11. 11. L.P. Heiniger, P.G. O’Brien, N. Soheilnia, Y. Yang, N.P. Kherani, M. Gratzel, G.A. Ozin, N. tetreault, "See-through dye-sensitized solar cells: photonic reflectors for tandem and building integrated photovoltaics", Adv. Mater. 25, 5734-5741, 2013.
  12. 12. N. Vsevolodov, "Biomolecular Electronics: An Introduction via Photosensitive Proteins", Birkhäuser Pub, 2012.
  13. 13. G.K. Chandi, B.S. Gill, "Production and characterization of microbial carotenoids as an alternative to synthetic colors: a review", Int. J. Food Prop. 14, 503-513, 2011.
  14. 14. D. Yu, M. Wang, G. Zhu, B. Ge, S. Liu, F. Huang, "Enhanced photocurrent production by bio-dyes of photosynthetic macromolecules on designed TiO2 film", Sci. Report. 5, 9375-9382, 2015.
  15. 15. Y. Lu, M. Yuan, Y. Liu, B. Tu, C. Xu, B. Liu, D. Zhao, J. Kong, "Photoelectric performance of bacteria photosynthetic proteins entrapped on tailored mesoporous WO3-TiO2 films", Langmuir. 21, 4071-4076, 2005.
  16. 16. H. A. Frank, G. W. Brudvig, "Redox functions of carotenoids in photosynthesis", Biochem., 43, 8607-8615, 2004.
  17. 17. X.F. Wang, J. Xiang, P. Wang, Y. Koyama, S. Yanagida, Y. Wada, K. Hamad, S. Sasaki, H. Tamiaki, "Dye-sensitized solar cells using a chlorophyll a derivative as the sensitizer and carotenoids having different conjugation lengths as redox spacers", Chem. Phys. Lett. 408, 409-414, 2005.
  18. 18. H. A. Frank, G.W. Brudvig, "Redox functions of carotenoids in photosynthesis", Biochemistry, 43, 8607-8615, 2004.
  19. 19. G.J. Magis, M.J. den Hollander, W.G Onderwaater, J.D. Olsen, C.N. Hunter, T.J. Aartsma, R.N. Frese, "Light harvesting, energy transfer and electron cycling of a native photosynthetic membrane adsorbed onto a gold surface", Biochim. Biophys. Acta. Biomembr. 1798, 637-645, 2010.
  20. 20. K. Woronowicz, S. Ahmed, A.A. Biradar, A.V. Biradar, D.P. Birnie, T. Asefa, R.A. Niederman, "Near- IR absorbing solar cell sensitized with bacterial photosynthetic membranes", Photochem. Photobiol. 88, 1467-1472, 2012.
  21. 21. Q. Fu, C. Zhao, S. Yang, J. Wu, "The photoelectric performance of dye-sensitized solar cells fabricated by assembling pigment-protein complexes of purple bacteria on nanocrystalline photoelectrode", Mater. Lett. 129, 195-197, 2014.
  22. 22. M. Dowrkin, S. Falkow, "The Prokaryotes: Vol. 3: Archaea. bacteria: firmicutes, actinomycetes", Springer, New York, 2006.
  23. 23. D. Correa-Llanten, M. J. Amenabar, J. M. Blamey, "Antioxidant capacity of novel pigments from an Antarctic bacterium", J. Microbiol. 50, 374-379, 2012
  24. 24.T. Montagni, P. Enciso, J. J. Marizcurrena, S. C. Sowinski, C. Fontana, D. Daryt, M. F. Cerda, "Dye sensitized solar cells based on Antarctic Hymenobacter sp. UV11 dyes", Environ. Sustain. 1, 89-97, 2018.
  25. 25. S. K. Srivastava, P. Piwek, S. R. Ayakar, A. Bonakdarpour, D.P. Wilkinson, V.G. Yadav, "A biogenic photovoltaic material", Small, 14, 1870121, 2018.
  26. 26. R. Guzel, F. Yediyidiz, Y.S. Ocak, F. Yilmaz, A. Ersoz, R. Say, "Photosystem (PSII)-based hybrid nanococktails for the fabrication of BIO-DSSC and photo-induced memory device", J. Photochem. Photobiol. A Chem. 401, 112743, 2020.
  27. 27. S. Ranjitha, V. Aroulmoji, T. Selvankumar, C. Sudhakar, V. Harihakar, "Synthesis and development of novel sensitizer from spirulina PSII pigment with silver doped TiO2 nano particles for bio-sensitized solar cells", Biomass Bioenergy, 141, 105733, 2020.
  28. 28. P. P. Kanekar, S.O. Kulkarni, C. V. Jagtapi, V. S. Kadam, H. M. Pathan, "A novel approach for the development of bio-sensitized solar cell using cell lysate of a haloarchaeon Halostagnicola larsenii RG2.14 (MCC 2809) containing bacteriorhodopsin", Sol. Energy, 212, 326-331, 2020.
  29. 29. T. Joerger, K. Joerger, E. Olsson, C.G. Grangvist, "Bacteria as workers in the livingfactory: metal-accumulating bacteria and their potential for materials science", Tre. BioTechnol. 21, 15-22, 2021.
  30. 30. A. H. Zyoud, M. Dwikat, S. Al-Shakhshir, S. Ateeqr, J. Istaiwa, M. H. Halal, M. Kharoof, S. Alami, H. Kelani, G. Campet, H. S. Hilal, "ZnO nanoparticles in complete photo-mineralization of aqueous gram negative bacteria and their organic content with direct solar light", Sol. Energy Mater. Sol. 169, 30-37, 2019.
  31. 31. S. Bhandari, D. Mondal, S.K. Nataraj, R. G. Balakrishna, "Biomolecule-derived quantum dots for sustainable optoelectronics", Nanoscale. Adv. 1, 913-936, 2019.
  32. 32. A. Mershin, K. Matsumoto, L. Kaiser, D. Yu, M. Vaughn, M. K. Nazeeruddin, B.D. Bruce, M. Gratzel, S. Zhang, "Self-assembled photosystem-I biophotovoltaics on nanostructured TiO2 and ZnO", Sci. Rep. 234, 1-7, 2012.
  33. 33. E. Maleki, M. Ranjbar, S.A. Kahani, "The effect of antisolvent dropping delay time on the morphology and structure of the perovskite layer in the hole transport material free perovskite solar cells", Prog. Color Colorants Coat. 14, 47-54, 2021.
  34. 34. Y. Qian, Y. Ni, S. Yue, W. Li, S. Chen, Z. Zhang, L. Xie, M. Sun, Y. Zhao, W. Huang, "Spiro[fluorene-9,9' -xanthene]- based universal hosts for understanding structure-property relationships in RGB and white PhOLEDs", RSC Adv. 5, 29828-29836, 2018.
  35. 35. B. B. Carbas, A. M. Onal, "New fluorene-xanthene-based hybrid electrochromic and fluorescent polymers via donor-acceptor approach", Electrochim. Acta. 66, 38-44, 2012.

 

مطالعات در دنیای رنگ
دوره 11، شماره 1
خرداد 1400
صفحه 1-10

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 25 آبان 1399
  • تاریخ بازنگری: 12 دی 1399
  • تاریخ پذیرش: 15 بهمن 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار