Farbstoffsolarzellen sind als Alternative zu herkömmlichen Solarzellen im Gespräch, auch wenn ihre Energieausbeute noch nicht zufriedenstellend ist. Der Wirkungsgrad ließe sich mit der Verwendung als Tandem-Solarzellen erhöhen, bei denen die Farbstoffsolarzellen übereinander gestapelt werden. Wie der Farbstoff, der das Sonnenlicht einfängt, auf dem Halbleitermaterial verankert wird, spielt für die Effektivität dieser Solarzellen eine entscheidende Rolle. Jedoch ist die Verankerung der Farbstoffe auf Nickeloxidoberflächen, die sich für Tandem-Farbstoffzelle besonders gut eignen, noch nicht ausreichend verstanden. Wissenschaftler der Uni Basel haben jetzt in Zusammenarbeit mit dem Swiss Nanoscience Institute einen Weg gefunden, die räumliche Anordnung von Bipyridin-Molekülen auf einer Oberfläche zu ändern. Bipyridinkristalle könnten bei Farbstoffsolarzellen als Ankermolekül auf einer Halbleiteroberfläche dienen. An diese Anker binden dann Metallkomplexe, an denen wiederum unterschiedliche Farbstoffe binden können.
Abb.: Wissenschaftler konnten die räumliche Anordnung von Bipyridin-Molekülen (grau) auf einer Oberfläche aus Nickel- und Sauerstoffatomen (gelb/rot) verändern. Durch Drehung entsteht aus der trans-Konfiguration (vorne rechts) die cis-Konfiguration (vorne links; Bild: U. Basel)
Bei der Untersuchung mithilfe von Rastersondenmikroskopen hat sich herausgestellt, dass die Bipyridinmoleküle zunächst flach in ihrer trans-Konfiguration auf der Oberfläche binden. Durch Zugabe von Eisenatomen und einer Temperaturerhöhung kommt es dann im Bipyridin-Molekül zu einer Drehung um ein Kohlenstoffatom und somit zur Bildung der cis-Konfiguration. „Die chemische Zusammensetzung der cis- und trans-Konfiguration sind gleich, ihre räumliche Anordnung aber sehr unterschiedlich. Die Veränderung der Konfiguration lässt sich daher anhand der rastersondenmikroskopischen Messungen eindeutig unterscheiden“, erläutert Ernst Meyer von der Uni Basel.
Die Veränderung der räumlichen Anordnung entsteht durch Bildung eines Metallkomplexes, wie die Wissenschaftler auch durch die Untersuchung des Bipyridins auf einer Goldoberfläche bestätigen konnten. Bei der Herstellung der Farbstoffsolarzellen finden diese Reaktionen in Lösung statt. Die Untersuchung einzelner Moleküle und ihr Verhalten können allerdings nur mit Rastersondenmikroskopen im Vakuum erfolgen. „Wir haben mit diesen Untersuchung erstmals beobachten können, wie Moleküle, die fest an eine Oberfläche gebunden sind, ihre Konfiguration ändern“, fasst Meyer die Arbeit zusammen. „Das erlaubt uns besser zu verstehen, wie sich Ankermolekül auf Nickeloxidoberflächen verhalten.“
U. Basel / RK
