Mehr Solarstrom mit Metallkomplexen
Alternative zu teurem Ruthenium offenbart sich im Röntgenlicht.
Im Zentrum von Übergangsmetall-Komplexen sitzt ein Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle. Die äußeren Elektronen des Übergangsmetalls befinden sich auf keulenartig ausgedehnten d-Orbitalen, die sich durch äußere Anregung gut beeinflussen lassen. Manche Übergangsmetall-Komplexe beschleunigen als Katalysatoren bestimmte chemische Reaktionen, andere können sogar Sonnenlicht in Strom umwandeln: So basiert die bekannte Farbstoff-Solarzelle, die Michael Graetzel (EPFL) in den 1990er Jahren entwickelt hat, auf einem Ruthenium-Komplex.
Abb.: Die Illustration zeigt eine Verbindung, in deren Zentrum ein Eisenatom sitzt. Es ist von vier Cyan-Gruppen und einem Bipyridin Molekül umgeben. (Bild: T. Splettstößer, HZB)
Allerdings ist es bisher nicht gelungen, das seltene und teure Übergangsmetall Ruthenium durch ein preiswerteres Element zu ersetzen, zum Beispiel durch Eisen. Das ist erstaunlich, denn auch beim Eisen befinden sich die gleiche Anzahl an Elektronen auf den äußeren weitausgedehnten d-Orbitalen. Die Anregung mit Licht im sichtbaren Bereich setzt jedoch in den meisten bisher untersuchten Eisen-Komplexverbindungen keine langlebigen Ladungsträger frei. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY II genauer untersucht. Die Gruppe um Alexander Föhlisch hat dafür systematisch unterschiedliche Eisen-Komplexverbindungen in Lösung mit weichem Röntgenlicht bestrahlt. Dabei konnten sie mit inelastischer Röntgenstreuung messen, wieviel Energie dieses Lichts von den Molekülen absorbiert wurde. Sie untersuchten Komplexe, in denen das Eisenatom entweder von Bipyridin-Molekülen oder Cyan-Gruppen umgeben waren, sowie Mischformen, in denen das Eisenzentrum mit je einem Bipyridin und vier Cyan-Gruppen verbunden ist.
Die Messungen zeigten, dass die bisher kaum untersuchten Mischformen besonders interessant sind: Wenn Eisen nur von drei Bipyridin-Molekülen oder sechs Cyan-Gruppen umgeben ist, dann sorgt eine optische Anregung nur für eine kurzzeitige oder gar keine Freisetzung von Ladungsträgern. Anders wird es erst, wenn man zwei der Cyangruppen durch ein Bipyridin-Molekül ersetzt. „Dann sehen wir durch die Anregung mit weichem Röntgenlicht wie 3d-Orbitale vom Eisen delokalisieren und bei den Cyangruppen verortet werden können, während gleichzeitig das Bipyridin-Molekül den Ladungsträger aufnehmen kann“, erklärt Raphael Jay, der über das Thema promoviert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich auch preiswerte Übergangsmetall-Komplexe für den Einsatz in Solarzellen eignen könnten – sofern man sie mit passenden Molekülgruppen umgibt. Hier gibt es also noch ein reiches Feld für die Materialentwicklung.
HZB / JOL
