به گزارش سرویس علمی ایسنا، سیده طلیعه غیاثی، امیر بهادر زینلی، ستاره کاظم زاده از دانشجویان کارشناسی ارشد فیزیک شاخه حالت جامد دانشگاه علم و صنعت ایران با راهنمایی مشترک دکتر رسول اژئیان، سرپرست آزمایشگاه لایه نازک دانشگاه علم و صنعت ایران و دکتر غلامحسین ریاضی، سرپرست آزمایشگاه نئوارگانیک انستیتو بیوفیزیک و بیوشیمی دانشگاه تهران موفق به این مهم شده‌اند.
فتوسنتز فرآیندی چندمرحله‌ای است که با دریافت انرژی فوتون‌های فرودی توسط کلروفیل‌های موجود در کمپلکس‌های جمع کننده نور(LHCP) آغاز می‌شود. مجموعه حاوی پروتئین و رنگدانه‌های کلروفیل و کاروتنوئید، فتوسیستم نام دارد که مرکز فرآیند فتوسنتز هستند. دو نوع فتوسیستم 1 و 2، با نقشی مکمل به همراه پروتئین‌ها و آنزیم‌های واسط، چرخه تبدیل انرژی را تکمیل می‌کنند.
فتوسیستم‌ها، فتودیودهای بی نقص طبیعی هستند که پس از جذب انرژی فتون‌ها برانگیخته شده و با سرعت و بازدهی بسیار بالا به جفت ویژه‌ای از کلروفیل‌ها 14(P700)' type="#_x0000_t75"> می‌رسند و موجب تولید اکسایتون (الکترون- حفره مقید) در این ناحیه می‌شوند. سپس در زمان کوتاه 10 تا 30 پیکوثانیه این اکسایتون‌ها به حامل‌های بار آزاد ( الکترون و حفره آزاد) تجزیه شده و پس از این جدایی، الکترونه‌ای برانگیخته در 14P700' type="#_x0000_t75"> به عنوان دهنده الکترون، در طول زنجیره با پیوندهای مضاعف به سمت بخش گیرنده الکترون در ساختار فتوسیستم شروع به حرکت کرده و نهایتاً به خوشه‌های سولفید آهن (4Fe-4S) می‌رسند.
ویژگی‌های منحصر به‌فرد فتوسیستم 1 از قبیل ضریب جذب بالای نور خورشید، بازدهی کوآنتومی نزدیک به صد درصد، توانایی ایجاد اختلاف پتانسیلی در حدود یک الکترون ولت، این فتودیود را ماده فعال مناسبی برای سیستم‌های فتوولتائیک می‌کند.
اخیراً برخی از گروه‌های دانشگاهی دنیا، مستقل از هم با استخراج پروتئین فتوسیستم 1 (PS1) از برگ گیاهان و یا از باکتری‌ها، تحقیقاتی را در زمینه ساخت سیستم‌های بیوفتوولتائیک آغاز کرده‌اند. نتایج این تحقیقات، از عملکرد قابل توجه فتوسیستم‌ها در سلول‌های خورشیدی الکترولیتی و حالت جامد از سازگاری این کمپلکس‌ها با لایه‌های گرافن، نانولوله‌های کربنی و سایر ترکیبات متداول در سیستم‌های فتوولتائیکی حکایت می‌کند. اگرچه بازدهی این سلول‌های خورشیدی بیوهیبریدی نسبت به انواع دیگر سلول‌های خورشیدی پایین‌تر است، اما با توجه به فراوانی و زیست سازگاری فتوسیستم‌ها به عنوان ماده فعال، دورنمایی مناسب را پیش روی بشر می‌گذارد.
در تحقیقات اخیر دانشگاه واندربیلت آمریکا، کمپلکس پروتئین PS1 برای افزایش جذب نور خورشید در سلول‌های معدنی پایه سیلیسیومی مورد توجه قرار گرفت و به دلیل افزایش بازدهی قابل توجه مشاهده شده، گزارش‌هایی از آن در مجله معتبر Advanced Materials منتشر شده است.
همچنین اولین گزارش در زمینه ساخت سلول بیوفتوولتائیک حالت جامد با استفاده پروتئین فتوسیستم 1، استخراج شده از نوعی باکتری (سیانوباکتری)، توسط دانشگاه گرونینگن در هلند در سال 2014 منتشر شده است. در این سلول از PS1 به عنوان ماده فعال، یعنی ماده‌ای که خود در جذب فوتون، جدایی حاملین بار و انتقال آنها بصورت مستقیم دخالت دارد، استفاده شده است. اگرچه راندمان این سلول پایین است، اما به عنوان اولین کار منتشر شده، شایان توجه است. همزمان در ایران نیز برای نخستین بار با مشارکت دو مرکز دانشگاهی فعالیت قابل توجهی در زمینه استخراج پروتئین فتوسیستم 1 (PS1) از اسفناج و ساخت دو نوع سلول بیوفتوولتائیک الکترولیتی و حالت جامد انجام گرفته است. اگرچه گزارش کار محققان ایرانی در این مورد هنوز منتشر نشده است، اما نتایج به دست آمده افزایش قابل توجه بازدهی سلول‌های ساخته شده با پروتئین اسفناج را در ساختار نوین این سلول‌ها نشان می‌دهد.
امروزه شاهد گرایش ویژه‌ای به سمت به کارگیری ساختارهای زیستی و بیومولکول‌ها در سیستم‌های فتوولتائیک هستیم. علاوه بر آنچه ذکر شد، فعالیتهایی نیز در زمینه انواع دیگر سیستم‌های بیوفتوولتائیک مانند سلول‌های سلولزی تولید شده از ساقه‌های گیاهان در چند مرکز معتبر دنیا مانند دانشگاه جورجیای آمریکا توسعه یافته که نتایج آن در سال‌های 2013 و 2014 به چاپ رسیده است.
استفاده از مواد زیستی و غیر آلاینده امکان ساخت سلول‌های آلی ارزان، انعطاف پذیر، تجدید پذیر و زیست سازگار را فراهم کرده است. اگرچه تأمین انرژی الکتریکی از سوخت هیدروکربن‌های فسیلی هنوز با راندمان بیشتری از سلول‌های فتوولتائیک آلی، معدنی و بیوفوتوولتائیک تولید می‌شوند، اما با نظری عمیق‌تر به آلایندگی‌های سوخت‌های فسیلی و ارزش افزوده بالقوه هدررفته هیدروکربن‌های با ارزش آلی، برق فسیلی فوق‌العاده گرانتر از برق خورشیدی است.
آلاینده‌های خروجی از نیروگاه‌های برق فسیلی، عوارض متعددی را در محیط زیست ایجاد می‌کنند که یکی از آنها امراض گوناگونی است که ضمن آسیب رسانی به سلامت و کیفیت زندگی مردم، هزینه درمانی خانواده را نیز افزایش می دهد. گذشته از این با تبدیل این هیدروکربن‌ها به لاستیک‌های پیشرفته مانند پلیمرهای رسانا و نیمه رسانای آلی ارزش افزوده چندین هزار برابری بالقوه آنها، بالفعل درآمده و از هدررفتن آنها به عنوان سوخت بخاری‌ها و نیروگاه‌های فسیلی جلوگیری می‌شود. برای مثال یک گرم ماده آلی فعال سلول خورشیدی مانند PCBM بیش 3000 دلار قیمت دارد. اگر هدر رفتن ارزش واقعی قابل افزایش هیدروکربن‌های فسیلی، هزینه‌های درمان بیماری‌های ناشی از پسماند آنها و همچنین نابودی آثار باستانی در اثر باران‌های اسیدی را بر قیمت برق فسیلی سرشکن کنیم، برق فسیلی به هیچ وجه مزیت قیمتی هم نخواهد داشت.
هیدروکربن‌های فسیلی به عنوان طلای سیاه در زمره ثروت‌های زیرزمینی تجدیدناپذیر میراث آیندگان است که سوزاندن بی رویه آن در نیروگاه‌های فسیلی ما ظلمی آشکار نه تنها در حق نسل آینده کشورهای نفت خیز، بلکه بر تمام نسل‌های آینده بشری است. لذا به نظر می‌رسد استفاده از انرژی‌های سازگار با محیط زیست و تجدید پذیر مانند سیستم‌های بیوفتوولتائیک، ضمن تامین قسمتی از انرژی مورد نیاز بشر، دورنمای مناسبی برای بقای نسل‌ها، حفظ سلامت محیط زیست، عدم کاهش ذخایر آب شیرین، جلوگیری از گرمایش زمین در اثر گازهای گلخانه‌ای را ترسیم کند. گام بعدی تحقیقاتی باید در جهت توسعه و افزایش راندمان تبدیل فوتون‌های نور خورشید به الکتریسیته در سیستم‌های بیوفتوولتائیکی برداشته شود. مطالعه رفتار شگفت انگیز برگ درختان می‌تواند راهنمای مناسبی در افزایش بهره‌وری سلول‌های بیوفتوولتائیک باشد.
بر اساس این گزارش، از ابتدای آفرینش بشر، طبیعت همواره الگو و راهنمایی مناسب برای آموزش بوده است. طبیعتی شامل گیاهان و حیواناتی که طی هزاران سال تکامل، بستری مناسب برای زندگی انسان فراهم کرده و نقش کارآمد آن با گذشت زمان، حتی با ورود تکنولوژی‌های پیشرفته امروزی هم‌چنان پابرجا باقی مانده است. در این میان شاهد هستیم که مهمترین چرخه حیات یعنی فتوسنتز با دریافت انرژی خورشیدی در طبیعت ادامه می‌یابد و این انرژی بعد از تبدیل به انرژی الکتریکی طی زنجیره‌های پربازده انتقال الکترون به انرژی شیمیایی و سپس به کربوهیدرات‌ها و سایر ترکیبات آلی تبدیل می‌شود. فرآیند بی نقص فتوسنتز در ساختار گیاهان، جلبک‌ها و بسیاری از باکتری‌ها که از کامل‌ترین و ایده‌آل‌ترین کارخانه‌های طبیعی تولید انرژی هستند، الهام بخش محققان برای ساخت سیستم‌های فتوولتائیک بوده است.
خبرگزاری ایسنا