Новости химической науки > Синтетические антенны собирают свет подобно природным

Исследователи из Великобритании и Франции создали молекулу красителя, которая моделирует светопоглощающий комплекс, локализованный в растениях.

Новая система, которая может поглощать свет с любой длиной волны, может стать основой для создания мощных солнечных батарей небольшого размера, способных работать при небольшом освещении и даже в помещениях.

Главная проблема солнечных батарей заключается в том, что для их работы требуется большая интенсивность излучения из-за низкого коэффициента полезного действия таких устройств. Большая часть световой энергии, падающей на солнечную панель, теряется из-за явления, известного как аннигиляция фотонов – не все фотоны, которые улавливает фотохимическое устройство, могут быть преобразованы в энергию требуемого типа – часть фотонов начинают активировать цепочки фотохимических превращений, которые в итоге приводят к разрушению устройства.

В организме растений эта проблема решается за счет сбора света с помощью сложных светособирающих антенн, представляющих собой набор молекул белков и пигментов (одним из которых является хлорофилл), адсорбирующих фотоны и направляющих их энергию к реакционному центру, на котором происходит выработка химической энергии. Это позволяет растениям вырабатывать энергию и накапливать биомассу в условиях и слабой и сильной освещенности, попутно защищая себя от фотонной аннигиляции за счет запасания энергии в пигментах. Хотя ранее и предпринимались попытки моделирования таких природных антенн в с помощью фотосенсибилизаторов, получения и стабилизация необходимых для такого процесса молекул является непростой задачей из-за сложной структуры молекул-моделей.

Синтетическая антенна позволяет направлять энергию фотонов на реакционный центр без разрушительной фотонной аннигиляции. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2013, DOI: 10.1021/ja4049306)

Исследователям из групп Антони Харримана (Anthony Harriman) из Университета Ньюкасла и Рэймонда Цисселя (Raymond Ziessel) из Университета Страсбурга разработали синтетическую систему для светопоглощения. Исследователи использовали пиреновые и борсодержащие (Bodipy) красители, которые способствуют потере фотонов и предотвращают образование частиц в высокоэнергетическом состоянии, которые обычно участвуют в фотолитической деградации устройства.

Харриман отмечает, что для хорошей солнечной ячейки необходим надежный источник фотонов с подходящей длиной волны. Он подчеркивает, что новая система может поглощать свет со всеми длинами волн, быстро конвертируя ультрафиолет в красный свет, не давая образоваться реакционноспособным интермедиатам.

Исследователи разработали воронкообразную молекулу, состоящую 21 хромофор. При поглощении фотонов периферией системы они каскадами перемещаются к терминальному акцептору фотонов, однако перемещение между различными позволяет решить проблему фотонной аннигиляции. Новую систему можно считать принципиально новой концепцией для создания системы искусственного фотосинтеза, которая, в перспективе, окажет существенное влияние на производство солнечных батарей.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2013, DOI: 10.1021/ja4049306

метки статьи: #биохимия, #органическая химия, #органический синтез, #физическая химия