Durchbruch für organische Solarzellen

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Molekülgerüst
Molekülgerüst

Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein neuartiges Material auf Basis von metall-organischen Gerüstverbindungen (MOF) entwickelt, das sich für die Photovoltaik eignet. Erstmals wurde so eine funktionsfähige, aus einer einzelnen Komponente bestehenden organischen Solarzelle hergestellt. Das Material ist hoch-elastisch und könnte beispielsweise als flexible Beschichtung für Kleidung und verformbare Bauteile genutzt werden.

Metallorganische Verbindungen (Metal-Organic Frame-works), kurz MOFs, setzen sich aus zwei Grundelementen zusammen: den metallischen Knotenpunkten und den organischen Molekülen. Diese werden wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt. MOFs haben in den letzten zehn Jahren großes Forschungsinteresse erregt, da sich ihre Funktionalität durch Variation der Bausteine anpassen lässt. Es ist beispielsweise möglich eine Vielzahl von Eigenschaften des Materials zu ändern. Auch aus diesem Grund wurden bereits mehr als 20.000 verschiedene MOF-Typen entwickelt, meist eingesetzt für die Speicherung oder Trennung von Gasen. Die neuen von der KIT hergestellten Verbindungen und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Solartechnologie sorgten für großes Aufsehen und wurden mit Titelseiten in Fachzeitschriften wie „Angewandte Chemie“ honoriert.

Die von der Wissenschaftlergruppe unter der Leitung des KIT hergestellten metallorganischen Verbindungen setzen Porphyrine als Baustein ein. Diese porphyrin-basierten MOFs weisen hochinteressante photophysikalische Eigenschaften auf. Neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern wird eine hohe Ladungsträger-Beweglichkeit beobachtet. Berechnungen, der am Projekt beteiligten Gruppe um Professor Thomas Heine von der Jacobs University Bremen, legen nahe, dass die sehr guten Eigenschaften der Solarzelle auf einem zusätzlichen Mechanismus basieren – der Ausbildung indirekter Bandlücken. Dieser Mechanismus spielt für die Photovoltaik eine wichtige Rolle.

In der Natur kommt Porphyrine als Universal-Moleküle zum Einsatz, unter anderem im Blutfarbstoff sowie im Chlorophyll. Dort wandeln diese organischen Farbstoffe Licht in chemische Energie um. Auf dieser Basis stellen die Forscher nun eine mit dem neuartigen Porphyrin-MOF hergestellte, metall-organische Solarzelle vor. „Wir kommen in der Solarzelle mit nur einem einzigen organischen Molekül aus, das ist der Clou“, betont Professor Christof Wöll, Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT.

Die Forscher erwarten die photovoltaische Leistung des Materials künftig erheblich steigern zu können, indem sie die Poren innerhalb der kristallinen Gitterstruktur mit Molekülen füllen, die elektrische Ladungen abgeben und aufnehmen können.

 

Durch ein am KIT entwickeltes Verfahren wachsen die kristallinen Gerüste lagenweise auf einer transparenten, leitfähigen Trägeroberfläche und bilden jeweils eine homogene Dünnschicht, sogenannte SURMOFs. „Das SURMOF-Verfahren eignet sich prinzipiell für einen kontinuierlichen Herstellungsprozess und erlaubt prinzipiell auch die Beschichtung größerer Kunststoff-Trägerflächen“, so Prof. Wöll.

Durch ihre mechanischen Eigenschaften ließen sich die nur wenige 100 Nanometer dicken MOF-Dünnschichten für flexible Solarzellen nutzen, etwa zum Beschichten von Kleiderstoffen oder sich verformenden Bauteilen, so der Physiker. Angesichts der steigenden Nachfrage nach technischen Systemen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, bieten organische Materialien eine interessante Alternative oder Ergänzung zu Silizium-basierten Lösungen.

 

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