DD292342A5

DD292342A5 - BIOLOGICAL PHOTOCELL

Info

Publication number: DD292342A5
Application number: DD33813290A
Authority: DD
Inventors: Bernd Ebert; Joerg Kies; Ulrich Metzger; Thomas Hanke; Reiner Haseloff
Original assignee: Adw Zentralinstitut Fuer Molekularbiologie,De; Martin-Luther-Universitaet,De
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1990-02-26
Publication date: 1991-07-25

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}The biological photocell can be used as an energy converter and as a light sensor in microelectronics and metrology as well as an alternative energy source. The use of thinner, possibly monomolecular, layers of the photosystem-2 molecular complex without water-splitting complex allows high efficiency and very small dimensions. {Photocell, biological; Energy converter; Light sensor; Microelectronics; Mesztechnik; Layer, monomolecular; Photo System-2-Molekuelkomplex; Efficiency, high; Dimension, small}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention can be used as a light sensor and energy converter in measurement technology and microelectronics. It is also a possible variant of the development of alternative small energy sources and the development of opto-electronically functioning computing technology.

Characteristic of the known state of the art

Es sind bekannt:It is known:

a) Solarzellen: (z.B. WO 89/04064, WO 89/04062 und EP 341017) Vorteil: Nutzung eines breiten Wellenlängenspektrumsa) Solar cells: (e.g., WO 89/04064, WO 89/04062 and EP 341017) Advantage: Utilization of a wide wavelength spectrum

Nachteile:- Kleinerer Wirkungsgrad im roten Wellenlängenbereich. Disadvantages: - Lower efficiency in the red wavelength range.

- Nicht herstellbar in molekularen Dimensionen.- Not producible in molecular dimensions.

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)).b) Bacteriorhodopsin was obtained in immobilized layers (A., et al., [1988] FEBS Lett. 229 [2], 313-316; AAKononenko et al., BBA 892 [1987] 56-67 and BBA 850 [1986] 162-169) and has a lower bifectivity of excitation transfer (B.Ebert et al., In SECOND INTERN. CONFERENCE "MOLECULAR ELECTRONICS and BIOCOMPUTERS" [abstracts]) ,

c) Sensoren aus Halbleiterlasermaterial Vorteil: Hohe Empfindlichkeitc) Sensors made of semiconductor laser material Advantage: High sensitivity

Nachteile: - Keine molekularen DimensionenDisadvantages: - No molecular dimensions

- Größerer Energiebedarf und damit auch größere Energiedissipation.- Greater energy demand and thus greater energy dissipation.

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.Such sensors are needed in conjunction with microelectronic lasers (e.g., WO 89/06451) for integrated electro-optic devices (e.g., EP 335691) or for building optical logic.

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.d) For photodetectors the object is a high spatial resolution (WO 8905042, EP 340412), a better quantum efficiency (EP 338910), faster response times (EP 339386) and a greater low noise (WO 89/03593). These peak parameters can not be achieved for a detector in semiconductor detectors because the stability of heterogeneous semiconductor systems in nanometer dimensions is no longer ensured.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The object of the invention is to achieve efficient energy production from light even at lower light intensities and to provide the microelectronics and sensor technology with a sensitive light sensor or energy converter which is functional in the smallest dimensions.

Explanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to find a photocell which has a high efficiency of the conversion of light into electrical energy and optionally has very small dimensions and is compatible with der.modernen microelectronic technology. According to the invention, the biological photocell consists of an active layer of photosystem 2-molecule complexes, from which the water-splitting complex was separated.

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 desThis layer must have a partial orientation. Advantageous because of the low internal resistance is a monomolecular layer which is completely oriented. The absorption of the light in the useful wavelength range is so effective for a monomolecular layer that it is almost completely utilized. Apparently, the light-gathering complex of the

Photosystem 2-molecular complex its function even under the conditions of immobilization in quasi-dry

Zustand.State.

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.The removal of a photoelectromotive force via the contacted conductive layers allows a high efficiency of this arrangement as an energy converter, especially in a miniaturized version as an electricity supplier in integrated elements of microelectronics. The conductive layers of SnO ₂ and In ₂ O ₃ according to the invention as well as conductive polymers such as polypyrene and conductive rubber or gold or platinum layers do not lead to the loss of the activity of monomolecular photosystem 2-molecule comp ex layers.

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.A mediator in the photosystem 2-molecular complex layer, for example, di-methyl hydroquinone, can further improve the electrical coupling of Photosystem 2-molecular complex to the conductive layers ¹ for concrete production method.

Die Ausnutzung eines größeren Wellenlängenbereiches zur Energiekonvertierung ist durch an sich bekannte Fluoreszenzverstärkerschichten möglich. Hier wird durch energiereichere Strahlung Licht der notwendigen Wellenlänge erzeugt.The utilization of a larger wavelength range for energy conversion is possible by per se known fluorescence amplifier layers. Here, energy of higher energy generates light of the required wavelength.

For the use of light intensifier layers, it is advantageous to provide reflection conditions that are the light of the exciting ones

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).Keep wavelength ranges longer in the layer system and the emi. radiation from the largest possible solid angle the active layer passioren (for example, equivalent to the solution 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.The biological photocell can be used as a sensitive sensor. This can be made narrow and broadband in the wavelength range by means of filter and / or fluorescent amplifier layers. An arrangement without additional layers has the largest, almost ideal sensitivity for wavelengths around 680 nm.

Als Sensor ist die Kompatibilität mit der Mikroelektronik ebenso vorteilhaft wie die erfindungsgemäß mögliche Herstellung auf dem Ausgang einer Lichtleiterstrecke.As a sensor compatibility with microelectronics is just as advantageous as the present invention possible production on the output of a fiber optic path.

Als Energiequelle geringer Leistung ist die biologische Photozelle schon bei geringer Beleuchtungsdichte einsetzbar.As an energy source of low power, the biological photocell can be used even at low illumination density.

Claims

1. Biological photocell, consisting of two conductive layers on a transparent support substrate, between which an active layer of biomolecules angeordet, characterized in that the support substrate and the first conductive layer is at least from 660nm to 700nm transparent, that the biomolecules of the active layer consisting of photosystem 2-molecule complexes from which the water-cleaving moiety is removed, the photosystem 2-molecule complexes are oriented in the active layer or have at least a partial orientation in the layer and the first and second conductive layers electrically contact each other. are.

2. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the akiive layer

Photosystem 2-molecule complexes is a thin layer of juxtaposed, partially or completely oriented molecular complexes of photosystem 2.

3. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the active layer of photosystem 2-molecule complexes is a thick layer in which the photosystem 2-molecule complexes are superimposed and the partial orientation has been achieved by Elektrosedimentation from aqueous solution.

4. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the active layer of the photosystem 2-molecule complexes contains a mediator.

5. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the first conductive layer is a thin translucent tin or indium oxide layer.

6. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the second conductive layer is a gold or platinum layer or a conductive polymer, in particular polypyrene or conductive rubber.

7. Biological photocell according to claim 1, characterized in that the carrier pad a

Fluorescent amplifier is whose emission radiation is between 600 and 750 nm, or the support base of a support layer and such a fluorescence amplifier is combined.

8. Biological photocell according to claim 1 and 7, characterized in that the fluorescence amplifier as a layer is only or additionally on the side facing away from the light of the active layer and the second conductive layer or even forms the second conductive layer.

9. Biological photocell according to claim 1 or 1 and 7, characterized in that the carrier pad is the output side of a light guide or is fixed on a light guide.

10. Biological photocell according to claim 1 or 1 and 9, characterized in that the carrier pad is combined with narrow-band filter layers for the optical wavelength range.