Photocurrent response in photo-electrochemical hybrid devices based on graphene and light harvesting proteins

Abstract

Las celdas foto-electroquímicas (PEC por sus siglas en inglés) hacen parte de las alternativas actuales para la generación de energía limpia. Estos dispositivos de bajo costo y pay-back time están diseñados para imitar la transducción de energía solar de organismos fotosintéticos. Los materiales 2-dimensionales por su parte han sido ampliamente estudiados a nivel fundamental y por lo tanto utilizados para este propósito. Allí, el grafeno sigue generando expectativa en tanto que es versátil para ser funcionalizado química/biológicamente y aun así conservar sus propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas. Este hecho sugiere el diseño y la fabricación de dispositivos fotovoltaicos con nuevos y potenciales atributos y en esta dirección muchas han sido las contribuciones que se han dispuesto en esta área de la nanotecnología. Un claro ejemplo son las celdas solares sensibilizadas por colorante elaboradas a partir de semiconductores y colorantes orgánicos. En lugar de estos colorantes, los complejos para la captura de luz (LHC) de organismos fotosintéticos resultan interesante puesto que han demostrado tener altas eficiencias en la absorción comparadas con colorantes sintéticos. En este trabajo se expresó heterólogamente el LHC número 4 de Chlamydomonas reinhardtii (LHCA4) en Escherichia coli. La proteína fue purificada mediante cromatografía de afinidad e inmovilizada en una película delgada de grafeno previamente activada con plasma como electrodo en el PEC. Se evaluó la fotocorriente de los PEC elaborados con dicho electrodo y con un viológeno fosfonado conocido por liderar procesos de separación de carga. Los resultados sugieren que una nueva familia de dispositivos fotovoltaicos de película delgada puede ser elaborada a partir de fuentes naturales abundantes y grafeno.

An alternative to generate clean energy based on low pay-back time materials are photoelectrochemical cells (PECs). These devices are designed such that solar energy conversion processes of photosynthetic organisms are mimicked with the aid of low-cost materials. 2D materials which have been widely studied at a fundamental level, have been extensively used for this purpose. Within 2D materials, graphene has unique properties that can be tuned according to a specific application. Its versatility as a 2D material is mainly due to the ease for doping or for chemical/biological surface functionalization. This opens the possibility for the design and fabrication of photovoltaic devices with new attributes. Several studies have been invested towards the development of PECs based on semiconductors and organic dyes. An alternative to such dyes is to incorporate light-harvesting complexes (LHC) from photosynthetic organisms, which exhibit high light absorption efficiencies as compared to synthetic dyes. In this work, we heterologously expressed the light-harvesting complex 4 of Chlamydomonas reinhardtii (LHC4) in Escherichia coli. The protein was purified via affinity chromatography and subsequently immobilized on a plasma-treated thin film graphene electrode. The photocurrent was then evaluated in a PEC based on the developed electrode and a synthesized phosphonated viologen, a redox electrochromic molecule which is well known for leading charge transfer. Our results suggest that a new family of thin film photovoltaic devices can be prepared from abundant natural sources and graphene.