Strom aus supramolekularen Netzwerken
Selbstorganisierende Farbstoff-Schichten für die Photovoltaik.
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.
Abb.: Rastertunnelmikroskopisches Bild des Netzwerks aus mit Melamin verknüpften Terrylendiimidmolekülen, rechts eingeblendet: Modell der atomaren Struktur. (Bild: C. A. Palma, TU München)
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.“
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.
TUM / RK
