Fotosystem I jako materiał światłoczuły w ogniwach słonecznych
Loading...
Date
2018-09
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Photosystem I as a light-sensitive material in solar cells
Abstract
Fotosystem I (PSI) jest kompleksem białkowo-barwnikowym występującym powszechnie w błonach tylakoidowych organizmów przeprowadzających fotosyntezę tlenową – roślin wyższych, glonów i sinic. Jego rolą jest transbłonowy transport elektronów, zachodzący dzięki zaabsorbowanej energii świetlnej. PSI z roślin wyższych i glonów składa się z rdzenia oraz dodatkowych, zewnętrznych układów antenowych (LHCI). Z kolei PSI z sinic nie zawiera zewnętrznych anten, jednak grupuje się w układy trimeryczne. Światło może być pochłaniane dzięki zawartym w strukturze PSI cząsteczkom chlorofilu. Około 90 z nich zlokalizowanych jest w rdzeniu i tworzy tak zwany rdzeniowy układ antenowy. Rolą barwników w układach antenowych jest absorbowanie światła i przekazywanie energii wzbudzenia do zlokalizowanego centralnie w strukturze tak zwanego centrum reakcji (CR). CR zawiera zespół przenośników elektronów, dzięki którym dochodzi do aktu przestrzennego rozdziału ładunków. Istotną cechą PSI jest wysoka sprawność kwantowa tego procesu, bliska jedności. Oznacza to, że niemal każdy zaabsorbowany foton inicjuje rozdział ładunku. Można zatem powiedzieć, że PSI jest wysoce wydajnym, naturalnym nanoprzetwornikiem opto-elektronicznym. Cecha ta w połączeniu z wysoką stabilnością kompleksu PSI poza naturalną błoną a także w relatywnie szerokim zakresie temperatur sprawia, że układ ten stał się interesującym kandydatem w różnego rodzaju zastosowaniach bio-fotowoltaicznych. Zaletą rozwiązań opartych na wykorzystaniu naturalnych układów fotosyntetycznych w rozmaitych konstrukcjach bio-hybrydowych jest łatwość ich pozyskiwania, niski koszt izolacji oraz brak toksyczności. Obecnie, wiele grup badawczych prowadzi eksperymenty związane z wytwarzaniem tego typu układów opartych na kompleksach PSI. Pojawia się jednak naturalne pytanie, na ile drastycznie odmienne od naturalnego środowisko, zdeponowanych na powierzchni nieorganicznej, częściowo wysuszonych i stłoczonych kompleksów PSI, moduluje ich własności.
Zasadniczym celem pracy jest zbadanie własności spektralnych oraz dynamiki wzbudzenia elektronowego kompleksów PSI zdeponowanych na szkle pokrytym warstwą przewodzącą (FTO) i porównanie uzyskanych rezultatów z wynikami dla PSI w roztworze. Pierwsze etapy transferu energii i elektronu po wzbudzeniu zachodzą w pikosekundowej i subpikosekundowej skali czasu, dlatego do badania tych procesów wykorzystano techniki czasowo-rozdzielczej, ultraszybkiej spektroskopii laserowej, zarówno fluorescencyjnej jak i absorpcyjnej. Analogiczne jak w pomiarach spektroskopowych, zdeponowane na FTO układy PSI zbadane zostały również pod kątem odpowiedzi fotoprądowej. W ramach pracy podjęto próbę wyjaśnienia mechanizmu odpowiedzialnego za generowanie fotoprądu pod wpływem naświetlania. Pobocznym celem pracy było także stworzenie możliwie prostej i uniwersalnej procedury izolacji kompleksów PSI z 3 różnych rodzajów organizmów: roślin, glonów i sinic.
Wyniki czasowo-rozdzielczych pomiarów fluorescencji sugerują, że dynamika wzbudzenia elektronowego w zdeponowanym PSI zachowuje swój dwufazowy charakter obserwowany dla PSI w roztworze. Zanik wzbudzenia (na skutek jego pułapkowania w CR) jest jednak przyspieszony [Szewczyk i wsp. 2017, Photosynthesis Research 132, 111-126]. Depozycja kompleksów PSI powoduje także pewną modyfikacją ich własności spektralnych, wynikającą z pojawienia się dodatkowych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami chlorofili w warunkach stłoczenia. Eksperymenty mające na celu wyjaśnienie przyspieszenia zaniku wzbudzenia wykonano przy pomocy czasowo-rozdzielczej spektroskopii absorpcyjnej. Porównanie układów, w których kompleksy PSI deponowane były na podłożu przewodzącym i nieprzewodzącym, w wariancie suchym i w kontakcie z wodnym roztworem, sugerują, że sam fakt stłoczenia jest wystarczający do spowodowania wspomnianego efektu przyspieszenia zaniku wzbudzenia [Szewczyk i wsp. 2018, Photosynthesis Research 136, 171-181]. Pomiary fotoelektrochemiczne wskazują na aktywność fotokatalityczną kompleksów PSI po depozycji, która objawia się zdolnością do generowania fotoprądu pod wpływem naświetlania.
Osiągnięte rezultaty potwierdzają przydatność zastosowania kompleksów PSI w układach bio-fotowoltaicznych, pomimo pewnych modyfikacji ich własności spektralnych i dynamicznych.
Photosystem I (PSI) is a protein-pigment complex commonly occurring in thylakoid membranes of the organisms performing oxygenic type of photosynthesis: in higher plants, algae and cyanobacteria. The role of PSI is to carry out the light-driven transmembrane electron transfer. Algal and plant PSI complexes are assembled of the core and additional light harvesting complexes (LHCI). Cyanobacterial PSI complexes do not contain any additional antennas, but they exist in the form of trimers. The light can be absorbed through the chlorophyll molecules present in the PSI structure. About 90 of them is localized in the PSI core and form so called core antenna system. The excitation being an effect of the act of absorption is then transported through the antenna system to the reaction center (RC) located at the central part of the structure. RC consists of the system of the electron carriers which use the exaction energy to perform the spatial charge separation. The important feature of the PSI is high quantum efficiency of this process: near the unity. It means, that almost every absorbed photon initiates the charge separation. Therefore, PSI can be considered as a highly efficient, natural opto-electronic converter working in the nanoscale. This feature together with high structural stability of the PSI complex makes the PSI an interesting object for biophotovoltaics. The advantage of the constructions based on photosynthetic complexes is that they are abundant in nature, their isolation cost is low and also they are free of toxicity. Nowadays, many research groups conduct the experiments related to bio-hybrid structures based on PSI complexes. However, an important question arises: how does the new environment (drastically different from the natural one) of the deposited on non-organic surfaces, partially dried and aggregated PSI complexes affect their properties? The main goal of this thesis is an examination of the spectral characteristics and excitation dynamics of the PSI complexes deposited on glass covered with conductive layer (FTO), and comparison these results with those obtained for PSI in solution. The first steps of energy and electron transfer after excitation occurs in picosecond and sub-picosecond time scale. Therefore, in order to study these processes, the time-resolved ultrafast laser spectroscopy techniques were used, both fluorescence and absorption. The PSI complexes deposited onto FTO glass (similar to those used in the spectroscopic measurements) were also examined for the photovoltaic response. In addition, an attempt was made to explain the mechanism responsible for photocurrent generation. The secondary objective of the work was to create a simple and universal procedure for isolation of PSI complexes from three different types of organisms: plants, algae and cyanobacteria. Results obtained from the time-resolved measurements suggest, that excitation dynamics in deposited PSI preserves its bi-exponential character observed for PSI in solution. However, the excitation decay caused by trapping in RC is accelerated [Szewczyk et al. 2017, Photosynthesis Research 132, 111-126]. Deposition of the PSI complexes leads also to slight modification of their spectral properties, originating from additional interactions between chlorophyll molecules under the conditions of dense packing. In order to explain the origin of the acceleration of the excitation decay, the time-resolved transient absorption measurements were performed. Comparison of the experiments in which PSI complexes were deposited on conductive and non-conductive surfaces, and being either dried or in contact with aqueous solution suggests, that the dense packing is the reason of aforementioned acceleration [Szewczyk et al. 2018, Photosynthesis Research 136, 171-181]. The electrochemical measurements indicate, that PSI complexes sustain their photocatalytic activity, manifested by ability to generate photocurrent. The obtained results confirm usefulness of the PSI complexes in bio-photovoltaic constructions, despite of some spectral and dynamic modifications.
Photosystem I (PSI) is a protein-pigment complex commonly occurring in thylakoid membranes of the organisms performing oxygenic type of photosynthesis: in higher plants, algae and cyanobacteria. The role of PSI is to carry out the light-driven transmembrane electron transfer. Algal and plant PSI complexes are assembled of the core and additional light harvesting complexes (LHCI). Cyanobacterial PSI complexes do not contain any additional antennas, but they exist in the form of trimers. The light can be absorbed through the chlorophyll molecules present in the PSI structure. About 90 of them is localized in the PSI core and form so called core antenna system. The excitation being an effect of the act of absorption is then transported through the antenna system to the reaction center (RC) located at the central part of the structure. RC consists of the system of the electron carriers which use the exaction energy to perform the spatial charge separation. The important feature of the PSI is high quantum efficiency of this process: near the unity. It means, that almost every absorbed photon initiates the charge separation. Therefore, PSI can be considered as a highly efficient, natural opto-electronic converter working in the nanoscale. This feature together with high structural stability of the PSI complex makes the PSI an interesting object for biophotovoltaics. The advantage of the constructions based on photosynthetic complexes is that they are abundant in nature, their isolation cost is low and also they are free of toxicity. Nowadays, many research groups conduct the experiments related to bio-hybrid structures based on PSI complexes. However, an important question arises: how does the new environment (drastically different from the natural one) of the deposited on non-organic surfaces, partially dried and aggregated PSI complexes affect their properties? The main goal of this thesis is an examination of the spectral characteristics and excitation dynamics of the PSI complexes deposited on glass covered with conductive layer (FTO), and comparison these results with those obtained for PSI in solution. The first steps of energy and electron transfer after excitation occurs in picosecond and sub-picosecond time scale. Therefore, in order to study these processes, the time-resolved ultrafast laser spectroscopy techniques were used, both fluorescence and absorption. The PSI complexes deposited onto FTO glass (similar to those used in the spectroscopic measurements) were also examined for the photovoltaic response. In addition, an attempt was made to explain the mechanism responsible for photocurrent generation. The secondary objective of the work was to create a simple and universal procedure for isolation of PSI complexes from three different types of organisms: plants, algae and cyanobacteria. Results obtained from the time-resolved measurements suggest, that excitation dynamics in deposited PSI preserves its bi-exponential character observed for PSI in solution. However, the excitation decay caused by trapping in RC is accelerated [Szewczyk et al. 2017, Photosynthesis Research 132, 111-126]. Deposition of the PSI complexes leads also to slight modification of their spectral properties, originating from additional interactions between chlorophyll molecules under the conditions of dense packing. In order to explain the origin of the acceleration of the excitation decay, the time-resolved transient absorption measurements were performed. Comparison of the experiments in which PSI complexes were deposited on conductive and non-conductive surfaces, and being either dried or in contact with aqueous solution suggests, that the dense packing is the reason of aforementioned acceleration [Szewczyk et al. 2018, Photosynthesis Research 136, 171-181]. The electrochemical measurements indicate, that PSI complexes sustain their photocatalytic activity, manifested by ability to generate photocurrent. The obtained results confirm usefulness of the PSI complexes in bio-photovoltaic constructions, despite of some spectral and dynamic modifications.
Description
Wydział Fizyki
Sponsor
Keywords
Fotosystem I, czasowo-rozdzielcza spektroskopia, transfer energii, czerwone chlorofile, Photosystem I, time-resolved spectroscopy, Energy transfer, red chlorophylls