KIT entwickelt neues organisches Halbleitermaterial
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein neuartiges Halbleitermaterial entwickelt – ein Gerüst aus organischen Molekülen, die durch metallische Knoten verbunden sind. Die Entwicklung lehnt sich ans Chlorophyll der Pflanzen an. Das Material ist extrem flexibel und verspricht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Ein Artikel aus ERNEUERBARE ENERGIEN.
Das neue Material ist eine Kombination aus metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen. Aus diesen metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF) haben die Forscher eine funktionsfähige, aus einer einzelnen Komponente bestehende organische Solarzelle hergestellt. „Das Material ist hochelastisch und könnte auch als flexible Beschichtung von Kleidung und verformbaren Bauteilen genutzt werden“, erklären die Wissenschaftler. „Wir haben die Tür zu einem neuen Raum geöffnet“, freut sich Christof Wöll, Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT. „Diese neu erschlossene Anwendung von metallorganischen Gerüstverbindungen ist erst der Anfang, das Ende dieser Entwicklung wird noch lange nicht erreicht sein.“
Für die Photovoltaik geeignet
Seit gut einem Jahrzehnt forschen Wissenschaftler an solchen Materialien, weil sie sich durch Variation der Bausteine an besondere Anforderungen anpassen lassen. „So ist es möglich eine Vielzahl von Eigenschaften des Materials zu ändern“, erklärt Christof Wöll. Bisher wurden die Materialien aber meist für die Speicherung oder Trennung von Gasen eingesetzt. Jetzt haben die Karlsruher Wissenschaftler solche MOFs hergestellt, die sich als Halbleitermaterial für die Photovoltaik eignen. Thomas Heine, Professor an der Jacobs Universität Bremen und an der Entwicklung beteiligt, hat herausgefunden, dass die sehr guten Eigenschaften des Materials auf der Ausbildung indirekter Bandlücken basieren, die für die Photovoltaik entscheidend sind.
Viele bewegliche Ladungsträger
Die Forscher nutzten für die Solarzellen Porphyrine als Baustein. Die Knotenpunkte und die organischen Moleküle werden wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt. Das Material habe hochinteressante photophysikalische Eigenschaften, erklären die Karlsruher. Neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern sind diese im Material auch extrem beweglich. In der Natur ist genau diese Verbindung im Chlorophyll von Pflanzen für die Umwandlung von Licht in Energie verantwortlich. „Wir kommen in der Solarzelle mit nur einem einzigen organischen Molekül aus, das ist der Clou“, betont Wöll. „Wir erwarten, die photovoltaische Leistung des Materials künftig erheblich steigern zu können, indem wir die Poren innerhalb der kristallinen Gitterstruktur mit Molekülen füllen, die elektrische Ladungen abgeben und aufnehmen können.“
Gitter Lage für Lage auftragen
Um die Solarzellen herzustellen, haben die Karlsruher ein Verfahren entwickelt, bei dem die kristallinen Gerüste Lage für Lage auf eine transparente und leitfähige Trägeroberfläche aufgetragen werden. Dabei entsteht eine homogene Dünnschicht. „Dieses Verfahren eignet sich prinzipiell für einen kontinuierlichen Herstellungsprozess und erlaubt prinzipiell auch die Beschichtung größerer Kunststoffträgerflächen“, betont Wöll. „Durch ihre mechanischen Eigenschaften lassen sich die nur wenige 100 Nanometer dicken MOF-Dünnschichten für flexible Solarzellen nutzen.“ So bieten diese metallorganischen Materialien eine interessante Alternative zum bisher verwendeten Silizium. Denn die Herstellung von Zellen auf der Basis von MOFs braucht viel weniger Energie und ist damit billiger als die teure Aufbereitung von Silizium, um es für Solarzellen einsetzen zu können. Dazu kommt noch die Flexibilität des Materials, die breite Anwendungsmöglichkeiten verspricht. (Sven Ullrich in ERNEUERBARE ENERGIEN)
[note „Angesichts der steigenden Nachfrage nach technischen Systemen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, bieten organische Materialien eine hochinteressante Alternative zu Silizium, das kostenintensiv aufbereitet werden muss, um für die photoaktive Schicht einer Solarzelle verwendet zu werden.“ (KIT-Pressemitteilung)]
Jinxuan Liu, Wencai Zhou, Jianxi Liu, Ian Howard, Goran Kilibarda, Sabine Schlabach, Damien Coupry, Matthew Addicoat, Satoru Yoneda, Yusuke Tsutsui, Tsuneaki Sakurai, Shu Seki, Zhengbang Wang, Peter Lindemann, Engelbert Redel, Thomas Heine und Christof Wöll: Photoinduzierte Erzeugung von Ladungsträgern in epitaktischen MOF-Dünnschichten: hohe Leistung aufgrund einer indirekten elektronischen Bandlücke?, Angewandte Chemie, Ausgabe 25/2015. Deutsche Ausgabe: DOI: 10.1002/ange.201501862, Internationale Ausgabe: DOI: 10.1002/anie.201501862