DD292342A5 - Biologische photozelle - Google Patents

Abstract

Die biologische Photozelle ist als Energiekonverter und als Lichtsensor in der Mikroelektronik und Mesztechnik sowie als alternative Energiequelle anwendbar. Die Nutzung duenner, gegebenenfalls monomolekularer Schichten des Photosystem-2-Molekuelkomplexes ohne wasserspaltenden Komplex ermoeglicht einen hohen Wirkungsgrad und sehr kleine Dimensionen.{Photozelle, biologisch; Energiekonverter; Lichtsensor; Mikroelektronik; Mesztechnik; Schicht, monomolekular; Photosystem-2-Molekuelkomplex; Wirkungsgrad, hoch; Dimension, klein}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist als Lichtsensor und Energiekonverter in der Meßtechnik und Mikroelektronik einsetzbar. Sie ist weiterhin eine mögliche Variante der Entwicklung alternativer Kleinenergiequellen und der Entwicklung optoelektronisch funktionierender Rechentechnik.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bekannt:

a) Solarzellen: (z.B. WO 89/04064, WO 89/04062 und EP 341017) Vorteil: Nutzung eines breiten Wellenlängenspektrums

Nachteile:- Kleinerer Wirkungsgrad im roten Wellenlängenbereich.

- Nicht herstellbar in molekularen Dimensionen.

b) Bakteriorhodopsin wurde in immobilisierten Schichten erhalten (A. Der u.a., [1988] FEBS Lett. 229 [2), 313-316; A.A.Kononenko u.a., BBA 892 [1987] 56-67 und BBA 850 [1986] 162-169) und besitzt eine geringere bifektivität des Anregungstransfers (B.Ebert u.a., in SECUND INTERN. CONFERENCE „MOLEKULAR ELECTRONICS and BIOCOMPUTERS" [abstracts)).

c) Sensoren aus Halbleiterlasermaterial Vorteil: Hohe Empfindlichkeit

Nachteile: - Keine molekularen Dimensionen

- Größerer Energiebedarf und damit auch größere Energiedissipation.

Solche Sensoren werden in Verbindung mit mikroelektronisch aufgebauten Lasern (z.B. WO 89/06451) für integrierte elektrooptische Bauelemente (z. B. EP 335691) benötigt oder zum Aufbau einer optischen Logik.

d) Für Photodetektoren steht die Aufgabe einer hohen räumlichen Auflösung (WO 8905042, EP 340412), eines besseren Quantenwirkungsgrades (EP 338910), schnellere Ansprechzeiten (EP 339386) und einer größeren Rauscharmut (WO 89/03593). Diese Spitzenparameter sind bei Halbleiterdetektoren nicht für einen Detektor erreichbar, da die Stabilität heterogener Halbleitersysteme in Nanometer-Dimensionen nicht mehr gesichert ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist, eine leistungsfähige Energiegewinnung aus Licht auch bei geringeren Lichtintensitäten zu erreichen und der Mikroelektronik und Sensoitechnik einen empfindlichen Lichtsensor oder Energiekonverter, der in kleinsten Abmessungen funktionsfähig ist, zur Verfugung zu stellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, eine Photozelle zu finden, die eine hohe Effektivität der Konvertierung von Licht in elektrische Energie besitzt und gegebenenfalls sehr kleine Dimensionen hat sowie kompatibel mit der.modernen Mikroelektroniktechnologie ist. Erfindungsgemäß besteht die biologische Photozelle aus einer aktiven Schicht aus Photosystem 2-Molekülkomplexen, von denen der wasserspaltende Komplex abgetrennt wurde.

Diese Schicht muß eine Teilorientierung aufweisen. Vorteilhaft wegen des geringen Innenwiderstandes ist eine monomolekulare Schicht, die vollständig orientiert ist. Die Absorption des Lichtes im nutzbaren Wellenlängenbereich ist auch für eine monomolekulare Schicht so effektiv, daß es fast vollständig genutzt wird. Offenbar erfüllt der lichtsammelnde Komplex des

Photosystem 2-Molekularkomplexes seine Funktion auch unter den Bedingungen der Immobilisierung im quasitrockenen

Zustand.

Die Abführung einer photoelektromotorischen Kraft über die kontaktierten leitfähigen Schichten ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad dieser Anordnung als Energiekonverter, insbesondere in miniaturisierter Ausführung als Stromversorger in integrierten Elementen der Mikroelektronik. Die erfindungsgemäßen leitfähigen Schichten aus SnO₂ und In₂O₃ sowie leitfähige Polymere wie Polypyrol und leitfähiges Gummi- bzw. Gold- oder Platinschichten führen nicht zum Verlust der Aktivität monomolekularer Photosystem 2-Molekülkomp!ex-Schichten.

Ein Mediator in der Photosystem 2-Molekülkomplex-Schicht, beispielsweise Di-Methylchinon, kann für konkrete¹ Herstellungsverfahren die elektrische Kopplung des Photosystem 2-Molekülkomplex an die leitfähigen Schichten noch verbessern.

Die Ausnutzung eines größeren Wellenlängenbereiches zur Energiekonvertierung ist durch an sich bekannte Fluoreszenzverstärkerschichten möglich. Hier wird durch energiereichere Strahlung Licht der notwendigen Wellenlänge erzeugt.

Für dis Nutzung von Lichtverstärkerschichten ist es vorteilhaft, Reflexionsbedingungen zu schaffen, die Licht der anregenden

Wellenlängenbereiche länger im Schichtsystem halten und die Emi. jionsstrahlung aus möglichst großem Raumwinkel die aktive Schicht passioren zu lassen (beispielsweise äquivalent der Lösung in WO 89/06051).

Die biologische Photozelle kann als empfindlicher Sensor benutzt werden. Dieser kann durch Filter- oder/und Fluoreszenzverstärkerschichten schmal und breitbandig im Wellenlängenbereich gemacht werden. Eine Anordnung ohne zusätzliche Schichten hat die größte, fast ideale Empfindlichkeit für Wellenlängen um 680 nm.

Als Sensor ist die Kompatibilität mit der Mikroelektronik ebenso vorteilhaft wie die erfindungsgemäß mögliche Herstellung auf dem Ausgang einer Lichtleiterstrecke.

Als Energiequelle geringer Leistung ist die biologische Photozelle schon bei geringer Beleuchtungsdichte einsetzbar.

Claims (10)

1. Biologische Photozelle, bestehend aus zwei leitfähigen Schichten auf einer durchsichtigen Trägerunterlage, zwischen denen eine aktive Schicht aus Biomolekülen angeordet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage und die erste leitfähige Schicht mindestens von 660nm bis 700nm lichtdurchlässig ist, daß die Biomoleküle der aktiven Schicht aus Photosystem 2-Molekülkomplexen bestehen, von dem der wasserspaltende Teilkomplex entfernt ist, daß die Photosystem 2-Molekülkomplexe in der aktiven Schicht orientiert angeordnet sind oder mindestens eine teilweise Orientierimg in der Schicht besitzen und daß die erste und die zweite leitfähige Schicht elektrisch kontakti6.. sind.

2. Biologische Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akiive Schicht aus

Photosystem 2-Molekülkomplexen eine dünne Schicht aus nebeneinander liegenden, teilweise oder vollständig orientierten Molekülkompiexen des Photosystem 2 ist.

3. Biologische Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus Photosystem 2-Molekülkomplexen eine dicke Schicht ist, in der die Photosystem 2-Molekülkomplexe übereinander liegen und die teilweise Orientierung durch Elektrosedimentation aus wäßriger Lösung erreicht worden ist.

4. Biologische Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht der Photosystem 2-Molekülkomplexe einen Mediator enthält.

5. Biologische Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitfähige Schicht eine dünne lichtdurchlässige Zinn- oder Indiumoxidschicht ist.

6. Biologische Photozelle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitfähige Schicht eine Gold- oder Platinschicht ist oder ein leitfähiges Polymer, insbesondere Polypyrol oder leitfähiges Gummi ist.

7. Biologische Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage ein

Fluoreszenzverstärker ist, dessen Emmissionsstrahlung zwischen 600 und 750 nm liegt, oder die Trägerunterlage aus einer Stützschicht und einem derartigen Fluoreszenzverstärker kombiniert ist.

8. Biologische Photozelle nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzverstärker als Schicht sich nur oder zusätzlich auf der dem Licht abgewandten Seite der aktiven Schicht und der zweiten leitfähigen Schicht befindet oder selbst die zweite leitfähige Schicht bildet.

9. Biologische Photozelle nach Anspruch 1 oder 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage die Ausgangsseite eines Lichtleiters ist oder auf einem Lichtleiter fixiert ist.

10. Biologische Photozelle nach Anspruch 1 oder 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage mit schmalbandigen Filterschichten für den optischen Wellenlängenbereich kombiniert ist.