Optimización de celdas solares sensibilizadas con ficobiliproteínas obtenidas desde Gracilaria chilensis

Abstract

Aquatic organisms such as red algae and cyanobacteria have a highly efficient light-gathering protein system called Phycobilisome. Phycobilisomes of red algae are composed of Phycobiliproteins (PBP) such as Allophycocyanin (APC), Phycocyanin (PC) and Phycoerythrin (PE), and binding or linker proteins that help in the assembly and conduction of solar energy. The abundance of red algae in nature, their potential for cultivation, and the unique spectroscopic characteristics of these Phycobiliproteins make them excellent candidates for semiconductor sensitization in DSSC devices. This is why the objective of this work was to evaluate and optimize the use of stabilized Phycobiliproteins and Phycobilisomes, obtained from Gracilaria chilensis, as sensitizers for DSSC. The Phycobiliproteins of G. chilensis were extracted and purified with an analytical degree of purity, with an extraction yield with respect to the wet weight of algae of 176 mg of Phycoerythrin / Kg of algae, 154 mg of Phycocyanin / Kg of algae and 4 mg of Allophycocyanin / Kg of seaweed. The sensitization or adsorption of PBPs on the photoelectrodes was evaluated by comparing their absorption spectrum (UV-Visible) in solid. Tris HCl buffer pH 7.0 favors the absorption of PBPs on the TiO2 semiconductor, compared to phosphate buffer pH 7.0. After sensitization, the solar cells were assembled and their photoelectric parameters were measured in a solar simulator. The conversion efficiency obtained for PE, PC and APC, without optimization, was of the order of 0.020%. The optimization of the manufactured DSSCs was focused on improving the adsorption of PBPs on the photoelectrodes. For these, the surface of the TiO2 semiconductor was functionalized with molecules of Poly-L-Lysine, Amino propyl trimethoxylan (APTMS), Glutarardehyde or a combination of the latter two. The conversion efficiency achieved with the solar cells assembled with the photoelectrodes functionalized with APTMS molecules, was 0.176% for APC, 0.137% for PC, 0.140% for PE and 0.042% for non-sensitized solar cells. Improving the efficiency obtained previously. Another important factor in the performance of a DSSC is the thermostability of the sensitizer used. Previous reports have shown that mesophilic organism PBPs are sensitive to temperatures above 50 ° C, therefore, achieving the thermal stability of PBPs is desired. The optimization of this factor was evaluated with PC, through its possibly intra-chain crosslinking, with formaldehyde, managing to increase the melting temperature (Tm) from 56 ° C to 80 ° C, determined at 280 nm. Solar cells assembled with thermally stabilized PC showed a conversion efficiency of 0.12%, lower than that obtained with unstabilized PC (0.160%). Although the conversion efficiency achieved with solar cells assembled with thermally stabilized PC, will be slightly lower than that obtained with unstabilized PC, this can be improved in future studies. The conversion efficiencies obtained with PBP-sensitized solar cells are in the range previously reported for other photosynthetic protein complexes. The surface functionalization of TiO2 and the thermal stabilization of PC by crosslinking with FA are an approach to the design and optimization of biohybrid photovoltaic devices.

Organismos acuáticos como algas rojas y cianobacterias, poseen un sistema proteico de captación lumínica altamente eficiente llamado Ficobilisoma. Los Ficobilisomas de algas rojas se componen de Ficobiliproteínas (PBP) como Aloficocianina (APC), Ficocianina (PC) y Ficoeritrina (PE), y proteínas de unión o linker que ayudan en el ensamblaje y conducción de energía solar. La abundancia de algas rojas en la naturaleza, su potencialidad de cultivo y las características espectroscópicas singulares de estas Ficobiliproteínas, las convierten en excelentes candidatas para la sensibilización de semiconductores en dispositivos DSSC. Es por esto que el objetivo de este trabajo fue evaluar y optimizar el uso de Ficobiliproteínas y Ficobilisomas estabilizados, obtenidos desde Gracilaria chilensis, como sensibilizadores para DSSC. Las Ficobiliproteínas de G. chilensis fueron extraídas y purificadas con grado de pureza analitico, con un rendimiento de extracción respecto al peso húmedo de alga de 176 mg de Ficoeritrina/Kg de alga, 154 mg de Ficocianina/ Kg de alga y 4 mg de Aloficocianina/Kg de alga. La sensibilización o adsorción de las PBP sobre los fotoelectrodos fue evaluada mediante la comparación de su espectro de absorción (UV-Visible) en sólido. Tampón Tris HCl pH 7,0 favorece la absorción de las PBP sobre el semiconductor de TiO2, respecto a tampón fosfato pH 7,0. Luego de la sensibilización, las celdas solares fueron ensambladas y sus parámetros fotoeléctricos fueron medidos en un simulador solar. La eficiencia de conversión obtenida para PE, PC y APC, sin optimizar, fue del orden de 0,020 %. La optimización de las DSSC fabricadas, se enfocó en mejorar la adsorción de las PBP sobre los fotoelectrodos. Para estos se funcionalizó la superficie del semiconductor de TiO2 con moléculas de Poli-L-Lisina, Amino propil trimetoxilano (APTMS), Glutarardehído o una combinación de estos dos últimos. La eficiencia de conversión alcanzada con las celdas solares ensambladas con los fotoelectrodos funcionalizados con moléculas de APTMS, fue de 0,176 % para APC, 0,137 % para PC, 0,140 % para PE y 0,042 % para celdas solares sin sensibilizar. Mejorando la eficiencia obtenida anteriormente. Otro factor importante en el desempeño de una DSSC es la termoestabilidad del sensibilizador utilizado. Reportes previos han mostrado que las PBP de organismo mesófilos son sensibles a temperaturas superiores a 50 °C, por lo cual, lograr la estabilidad térmica de las PBP es deseado. La optimización de éste factor, fue evaluado con PC, mediante su entrecruzamiento posiblemente intracatenario, con formaldehido, logrando aumentar la temperatura de fusión (Tm) de 56 °C hasta 80 °C, determinado a 280 nm. Las celdas solares ensambladas con PC estabilizada térmicamente mostraron una eficiencia de conversión de 0,12 %, menor a la obtenida con PC sin estabilizar (0,160 %). A pesar de que la eficiencia de conversión alcanzada con las celdas solares ensambladas con PC estabilizada térmicamente, resultara un poco menor a la obtenida con PC sin estabilizar, esto puede ser mejorado en estudios futuros. Las eficiencias de conversión obtenidas con las celdas solares sensibilizadas con PBP, se encuentran en el rango reportado previamente para otros complejos proteicos fotosintéticos. La funcionalización de superficie de TiO2 y la estabilización térmica de PC mediante entrecruzamiento con FA, son un acercamiento al diseño y optimización de dispositivos fotovoltaico biohíbridos.