為了吸收入射的陽光，植物和某些細菌依賴于含有稱為發色團的分子的捕光蛋白質復合物。這種復合物將太陽能匯集到光合作用反應中心，在那里它被轉化為代謝過程的化學能。

受這種自然建筑的啟發，美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室和斯托尼布魯克大學(SBU)的科學家組裝了納米混合結構，其中包含生物衍生(生物)和無機(非生物)材料。他們將來自藍細菌的光捕獲蛋白，半導體納米晶體(量子點)和僅一個原子層厚的二維(2-D)半導體過渡金屬結合在一起。在4月29日發表在ACSPhotonics(美國化學學會(ACS)雜志)上的一篇論文中描述-這種納米結構可用于提高太陽能電池從太陽獲取能量的效率。

“今天最好的太陽能電池板可以將它們吸收的近23%的陽光轉化為電能，但平均來說，它們的效率在15%到18%之間，”相應的作者，布魯克海文軟和生物納米材料集團的材料科學家MirceaCotlet說。實驗室功能納米材料中心(CFN)-美國能源部科學用戶設施辦公室。“如果能夠提高效率，就可以產生更多的電力。組裝的生物-非生物納米復合材料與僅含二維半導體的結構相比，顯示出更強的光收集和電荷載流子的產生。這些特性增加了納米復合材料對光的響應當結構被納入場效應晶體管(FET)時，一種光電器件。“

在設計納米復合材料時，科學家選擇原子級薄的二維二硒化鉬(MoSe2)作為自下而上組裝的平臺。二硒化鉬是半導體，或其導電率介于常規導體(對電流的阻力小)和絕緣體(高電阻)之間的材料。他們將MoSe2與兩種強大的光捕獲納米材料結合在一起：量子點(QD)和來自藍細菌的別藻藍蛋白(APC)蛋白。

科學家們根據它們的光捕獲特性選擇了這些成分，并設計了成分的帶隙(激發電子參與傳導所需的最小能量)，這樣就可以通過納米混合物以定向方式促進協同的逐步能量轉移。在雜交體中，能量從光激發的QD流向APC蛋白，然后流向MoSe2。這種能量轉移模擬自然光捕獲系統，其中表面發色團(在這種情況下，QD)吸收光并將收集的能量引導至中間發色團(此處為APC)并最終引導至反應中心(此處為MoSe2)。

為了結合不同的組件，科學家應用了靜電自組裝技術，這是一種基于帶電粒子之間相互作用的技術(相反的電荷吸引;像電荷排斥一樣)。然后，他們使用專門的光學顯微鏡探測通過納米復合材料的能量轉移。這些測量結果表明，添加APC蛋白質層可使納米復合物與單層MoSe2的能量轉移效率提高30%。他們還測量了納入混合到制造的FET中的納米混合物的光響應，發現它相對于僅含有一種成分的FET顯示出最高的響應度，產生的光電流量是入射光的兩倍以上。

“在生物-非生物雜交種中，更多的光被轉移到MoSe2，”第一作者和研究員李明星說道，他正在CFN軟和生物納米材料集團的Cotlet工作。“增加的光傳輸與MoSe2中的高電荷載流子遷移率相結合意味著太陽能電池器件中的電極將收集更多的載流子。這種組合有望提高器件效率。”

科學家們提出，在QD和MoSe2之間加入APC會產生“漏斗狀”能量轉移效應，因為APC優先定向自身相對于MoSe2的方式。

“我們相信這項研究是首次涉及二維過渡金屬半導體的級聯生物-非生物納米混合物的示范之一，”李說。“在后續研究中，我們將與理論家合作，更深入地了解這種增強能量轉移的潛在機制，并確定其在能量收集和生物電子學中的應用。