Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

UVR8 mediated spatial differences as a prerequisite for UV-B induced inflorescence phototropism

In Arabidopsis hypocotyls, phototropins are the dominant photoreceptors for the positive phototropism response towards unilateral ultraviolet-B (UV-B) radiation. We report a stark contrast of response mechanism with inflorescence stems with a central role for UV RESISTANCE LOCUS 8 (UVR8). The perception of UV-B occurs mainly in the epidermis and cortex with a lesser contribution of the endodermis. Unilateral UV-B exposure does not lead to a spatial difference in UVR8 protein levels but does cause differential UVR8 signal throughout the stem with at the irradiated side 1) increase of the transcription factor ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5), 2) an associated strong activation of flavonoid biosynthesis genes and flavonoid accumulation, 3) increased GA2oxidase expression, diminished gibberellin1 levels and accumulation of DELLA protein REPRESSOR OF GA1 (RGA) and, 4) increased expression of the auxin transport regulator, PINOID, contributing to local diminished auxin signalling. Our molecular findings are in support of the Blaauw theory (1919), suggesting that differential growth occurs trough unilateral photomorphogenic growth inhibition. Together the data indicate phototropin independent inflorescence phototropism through multiple locally UVR8-regulated hormone pathways

Tree Peony Species Are a Novel Resource for Production of α-Linolenic Acid

Tree peony is known worldwide for its excellent ornamental and medical values, but recent reports that their seeds contain over 40% α-linolenic acid (ALA), an essential fatty acid for humans drew additional interest of biochemists. To understand the key factors that contribute to this rich accumulation of ALA, we carried out a comprehensive study of oil accumulation in developing seeds of nine wild tree peony species. The fatty acid content and composition was highly variable among the nine species; however, we selected a high- (P. rockii) and low-oil (P. lutea) accumulating species for a comparative transcriptome analysis. Similar to other oilseed transcriptomic studies, upregulation of select genes involved in plastidial fatty acid synthesis, and acyl editing, desaturation and triacylglycerol assembly in the endoplasmic reticulum was noted in seeds of P. rockii relative to P. lutea. Also, in association with the ALA content, transcript levels for fatty acid desaturases (SAD, FAD2 and FAD3), which encode for enzymes necessary for polyunsaturated fatty acid synthesis were higher in P. rockii compared to P. lutea. We further showed that the overexpression of PrFAD2 and PrFAD3 in Arabidopsis increased linoleic and α-linolenic acid content, respectively and modulated their final ratio in the seed oil. In conclusion, we identified the key steps that contribute to efficient ALA synthesis and validated the necessary desaturases in P. rockii that are responsible for not only increasing oil content but also modulating 18:2/18:3 ratio in seeds. Together, these results will aid to improve essential fatty acid content in seeds of tree peonies and other crops of agronomic interest

Antioxidant Capacity of Anthocyanins and other Vegetal Pigments: Modern Assisted Extraction Methods and Analysis

This reprint contains thirteen contributions on recent advances in the field of anthocyanins and other vegetal pigments and state-of-the-art extraction methods applied to different matrices. The interdisciplinary character of the subject and the breadth of the contents presented by the authors make this book very interesting and comprehensive. This reprint covers different topics such as the most modern and cutting-edge methods for the analysis and extraction of anthocyanins, their geographical variability, the improvement and protection of their antioxidant properties, the valorization of by-products, stability studies and the metabolomics of chlorophylls and carotenoids, all of which are the subject of research and review in this reprint

1st Natural products application: health, cosmetic and food: book of abstracts

The Mountain Research Center is one of the research groups working within the Polytechnic Institute of Braganza, in Braganza Portugal. Since the foundation of this center in 2003, more than a thousand research items have been published throughout more than 40 international public funding’s, allowing the center to interact internationally with many research groups from the academy and also with the private sector. In all these years, we have had the commitment of disseminating science around the world, creating solid and robust bonds and partnerships with both, academia and industrial innovator, and we are always looking for more challenging collaborations. In this sense, the mountain research center gathers di erent ways to keep evolving our main mission of Science dissemination. In the present moment, where we all are involved in ghting against the current problem the world is facing, we have decided to join the scienti c community adopting the available resources in order to keep the owing communication of our works. Therefore, one of our responses was the creation of the rst edition of the Natural Product Applications Online Congress, which focuses on the dissemination of works involved in the cosmetic, food, and health industries. Thanks to all of you in less than a month the congress reached more than 450 registration from universities and important companies from di erent parts of the world. The NPA congress received and processed more than 200 communications, from which the scienti c committee has selected and referred each of them to their appropriate type for communication considering the limited time we will have ahead. All the submitted works were divided into three main categories, Oral, Pitch, and Poster communications which add them up to our 9 Keynote lectures, and one special oral communication. We could not thank you more for your participations, and we hope to see you next year on the second edition of the Natural Product Applications Congress.info:eu-repo/semantics/publishedVersio