Selbst­orga­ni­sie­ren­de Farb­stoff-Schich­ten für die Pho­to­­vol­ta­ik

Sarah Wieghold (vorne) und Juan Li am Rastertunnel-Mikroskop (Bild: A. Battenberg, TUM)

Sarah Wieghold (vorne) und Juan Li am Rastertunnel-Mikroskop (Bild: A. Battenberg, TUM)

Organische Photovoltaik gilt vielen Experten kosten­günstigere Strom­er­zeugung der Zukunft. Eine noch zu lösende Heraus­forderung dieser Tech­no­logie ist die geringe Ordnung der dünnen Schichten auf den Elektroden. Einen neuen Ansatz präsentiert nun ein Forscher­team der TU München: Auf Graphen­ober­flächen bauten die Wissen­schaftler photo­aktive Schichten aus sich selbst orga­ni­sierenden mole­kularen Netz­werken. Ihre Ergebnisse eröffnen interes­sante neue Möglich­keiten, opto-elek­tronische Bau­elemente molekül­genau herzu­stellen.

Die Forscher haben Farbstoffmoleküle so modifiziert, dass sie als Bausteine für selbstorganisierende molekulare Netzwerke einsetzbar sind. Auf der atomar glatten Oberfläche einer Graphenschicht auf Diamant formen die Moleküle die Zielarchitektur von selbst, ähnlich wie bei Proteinen oder in der DNA-Nanotechnologie. Die einzige treibende Kraft sind dabei die einge­bauten, supra­mole­kularen Wechsel­wirkungen auf der Basis von Wasser­stoff­brücken. Wie erwartet produ­zierten die fertigen Netz­werke bei Belichtung Strom.

„Lange Zeit galten die selbstorganisierenden molekularen Architekturen eher als Kunst“, sagt Friedrich Esch, einer der beteiligten Forscher. „Mit dieser Arbeit präsentieren wir zum ersten Mal eine ernsthafte praktische Anwendung dieser Technologie.“ Und sein Kollege Carlos-Andres Palma ergänzt: „Für die herkömmliche organischen Photovoltaik ist die Verbesserung der mole­ku­laren Ordnung noch immer eine Herausforderung. Der Nano­tech­no­logie-Werk­zeug­kasten bietet uns dagegen die Möglichkeit, die Anordnung der Bausteine der Schicht atomgenau vorherzubestimmen. Über die physikalisch-chemische Steuerung der Komponenten haben wir weitere Stellschrauben für die Funktionsoptimierung.“

Raster­tunnel­mikro­skopisches Bild des Netz­werks aus mit Melamin ver­knüpften Terryl­endi­imid­molekülen, rechts ein­ge­blendet: Modell der atomaren Struktur. (Bild: C. A. Palma, TU München)

Raster­tunnel­mikro­skopisches Bild des Netz­werks aus mit Melamin ver­knüpften Terryl­endi­imid­molekülen, rechts ein­ge­blendet: Modell der atomaren Struktur. (Bild: C. A. Palma, TU München)

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, auch größere Flächen be­schich­ten zu können und die photo­voltai­schen Eigen­schaften unter Standard­­bedingungen zu repro­du­zie­ren. „Von selbst­organi­sie­renden Schichten mit Farb­stoffen, einge­lagert zwischen zwei­dimensio­nalen Graphen-Elektroden, versprechen wir uns eine einfache Maß­stabs­ver­größerung, hin zu effi­zienten Photo­voltaik-Ele­menten“, sagt Palma. „Unsere Schichten werden damit zu einer Option für die Solar-Techno­logie.“

Als photoaktives Farbstoffmolekül dient den Wissenschaftler Terrylen-Diimid. Das dreibindige Melamin verknüpft die langgestreckten Diimid-Moleküle zu Netzwerken. Welche Architekturen daraus genau entstehen, legen die Chemiker durch die zuvor eingefügten Seitengruppen des Terrylen-Diimids fest. (Quelle: TUM / pro-physik.de)

Referenz: S. Wieghold et al.: Photoresponse of supramolecular self-assembled networks on graphene–diamond interfaces, Nat. Commun. 7, 10700 (2016); DOI: 10.1038/ncomms10700

Link: Oberflächen- und Grenzflächenphysik (J. Barth), Physik-Dept., Technische Universität München

Speak Your Mind

*