Nano­struk­tu­rier­tes Ger­ma­ni­um für por­ta­ble Pho­to­vol­taik

Mit geeigneten Polymeren gefüllt, werden aus der hochporösen Germaniumschicht hybride Solarzellen. (Bild: A. Battenberg, TUM)

Mit geeigneten Polymeren gefüllt werden aus der hochporösen Germanium­schicht hybride Solarzellen. (Bild: A. Battenberg, TUM)

Mit einem neuen Verfahren stellen Münchener Forscher hauchdünne, robuste und gleichzeitig hochporöse Halbleiter­schichten her. Ein viel versprechendes Material – beispiels­weise für kleine, leichte und langlebige flexible Solar­zellen oder Elektroden für leistungs­fähigere Akkus.

Die Beschichtung des Plättchens, das Thomas Fässler, Inhaber des Lehrstuhls für Anorga­nische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München in Händen hält, schimmert wie Opal. Und sie hat erstaunliche Eigen­schaften: Sie ist hart wie ein Kristall, hauchdünn und – da hochporös – federleicht.

Indem sie in die Poren des Materials geeignete organische Polymere einbauen, können die Wissen­schaftler die elektrischen Eigen­schaften der entste­henden Hybrid­materialien maß­schneidern. Die Bauweise spart nicht nur Platz, sondern schafft auch große Grenz­flächen, die den Wirkungsgrad erhöhen.

„Unser Ausgangsmaterial kann man sich wie ein großporiges Gerüst vorstellen, ähnlich aufgebaut wie eine Bienenwabe. Die Wände bestehen aus anorganischem, halb­leitendem Germanium, das elektrische Ladungen erzeugen und speichern kann. Weil die Wabenwände hauchdünn sind, müssen Ladungen keine weiten Wege zurücklegen“, erklärt Fässler.

Um sprödes, hartes Germanium in eine flexible und poröse Schicht zu verwandeln, mussten die Forscher allerdings einige Tricks anwenden. Traditionell werden Ätz­techniken eingesetzt, um die Oberfläche von Germanium zu strukturieren. Diese Top-down-Methode ist jedoch auf atomarer Ebene schwer kontrol­lierbar. Das neue Verfahren löst dieses Problem.

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Germanium-Struktur nach Herauslösen der polymeren Template (Bild: K. Rodewald, TUM)

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Germanium-Struktur nach Heraus­lösen der poly­meren Template (Bild: K. Rodewald, TUM)

Zusammen mit seinem Team hat Fässler einen Syntheseweg etabliert, der die gewünschten Strukturen exakt und reprodu­zierbar erzeugt. Ausgangs­material sind Cluster aus jeweils neun Germanium-Atomen. Weil diese Cluster elektrisch geladen sind, stoßen sie sich ab, solange sie sich in Lösung befinden. Eine Vernetzung findet erst statt, wenn das Lösungs­mittel abgedampft wird.

Sie kann durch einfaches Erhitzen auf 500 °C oder chemisch erfolgen. Dazu gibt man beispiels­weise Germanium­chlorid zu. Nimmt man stattdessen andere Chloride, wie zum Beispiel Phosphor­chlorid, so lassen sich die Germanium­strukturen auf einfachste Weise dotieren. Die Eigen­schaften der resultie­renden Nano­materi­alien können die Wissen­schaftler damit gezielt einstellen.

Damit die Germanium-Cluster die gewünschten porösen Strukturen bilden, entwickelte LMU-Forscherin Dina Fattakhova-Rohlfing eine Methode, die eine Nano­struktu­rierung ermöglicht: Winzige Polymer­kügelchen bilden im ersten Schritt dreidimen­sionale Schablonen.

Im nächsten Schritt füllt die Germaniumcluster-Lösung die Lücken zwischen den Kügelchen. Sobald sich auf der Ober­fläche der Kügelchen stabile Germanium-Netzwerke gebildet haben, werden die Template durch Erhitzen heraus­gelöst. Übrig bleibt der porenreiche Nano-Film.

Die eingesetzten Polymerkügelchen haben einen Durch­messer von 50 bis 200 Nanometern und bilden eine Opal­struktur. Das Germanium-Gerüst, das an ihren Ober­flächen entsteht, bildet die Negativ­form – eine inverse Opal­struktur. Die Nano­schichten schimmern daher wie Opal.

„Schon das poröse Germanium hat einzigartige optische und elektrische Eigen­schaften, von dem viele energie­relevante Anwendungen profi­tieren können“, sagt Fattakhova-Rohlfing, die zusammen mit Fässler das Material entwickelte. „Darüber hinaus können wir die Poren mit verschie­densten funktio­nellen Stoffen füllen und so eine breite Palette neuartiger Hybrid­materi­alien erzeugen.“

Nano-Schichten machen portable Photovoltaik fit für die Zukunft

„Kombiniert mit Polymeren eignen sich poröse Germanium-Strukturen für die Entwicklung einer neuen Generation stabiler, super­leichter und flexibler Solar­zellen, die unterwegs Handy, Kamera und Laptop aufladen könnten“, erläutert Physiker Peter Müller-Busch­baum, Professor für Funktio­nelle Materialien der TU München.

Hersteller auf der ganzen Welt suchen derzeit nach leichten und strapazierfähigen Materialien für portable Solar­zellen. Bisher werden meist organische Verbindungen verwendet, die empfindlich und nicht besonders langlebig sind. Durch Hitze und Licht­einstrahlung zersetzen sich die Polymere, die Leistung nimmt ab. Die dünnen und gleichzeitig stabilen Germanium-Hybrid­schichten wären da eine echte Alternative.

Als nächstes wollen die Forscher die neue Technik nutzen, um auch hoch­poröse Silizium-Schichten herzustellen. Die Schichten werden derzeit auch als Anode für wieder aufladbare Batterien getestet. Sie könnten die bisher üblichen Graphit­schichten in Akkus ersetzen und deren Kapazität verbessern. (Quelle: TUM)

Referenz: M. M. Bentlohner et al.: Zintl Clusters as Wet Chemical Precursors for Germanium Nanomorphologies with Tunable Composition, Angew. Chem., online 3. Dezemberg 2015, DOI: 10.1002/ange.201508246

Links: Fattakhova-Rohlfing-Gruppe, Fak. Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität MünchenLst. Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien (Th. F. Fässler), Dept. Chemie, Technische Universität München, Garching

Speak Your Mind

*