Strom gewinnen mit molekularen Architekturen

Photovoltaik aus selbstorganisierenden supramolekularen Netzwerken

2016-03-02 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Organische Photovoltaik wird von vielen als Einstieg in eine kostengünstigere Stromerzeugung angesehen. Eine der noch zu lösenden Herausforderungen ist die geringe Ordnung der dünnen Schichten auf den Elektroden. Einen neuen Ansatz präsentiert nun ein Team von Wissenschaftlern des Physik-Departments der TUM: Auf Graphenoberflächen bauten sie photoaktive Schichten aus sich selbst organisierenden molekularen Netzwerken. Ihre Forschungsergebnisse eröffnen interessante, neue Möglichkeiten, opto-elektronische Bauelemente molekülgenau herzustellen.

Rastertunnelmikroskopisches Bild des Netzwerks aus mit Melamin verknüpften Terrylendiimidmolekülen;
Rastertunnelmikroskopisches Bild des Netzwerks aus mit Melamin verknüpften Terrylendiimidmolekülen; rechts eingeblendet: Modell der atomaren Struktur – Bild: C. A. Palma / TUM

Unübertroffen beherrscht es die Natur, sich selbst organisierende, komplexe, molekulare Maschinerie aufzubauen. Diese kann Licht absorbieren und damit Ladungen trennen und Elektronen übertragen. Nanotechnologen träumen schon lange davon, diese biomolekularen Strukturen nachzuahmen und sie für eine kostengünstige Stromproduktion zu nutzen.

Forscher der Fakultäten für Physik und für Chemie der TU München, des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und der Université de Strasbourg (UdS) haben nun 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.

Von der Kunst zur Anwendung

„Lange Zeit galten die selbstorganisierenden molekularen Architekturen eher als Kunst,“ sagt PD Dr. Friedrich Esch, einer der Autoren der Arbeit. „Mit dieser Publikation präsentieren wir zum ersten Mal eine ernsthafte praktische Anwendung dieser Technologie.“

„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,“ sagt Dr. Carlos-Andres Palma, der die Experimente mit betreute. „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 Dr. Palma. „Unsere Schichten werden damit zu einer Option für die Solar-Technologie.“

Perfektes Zusammenspiel von Chemie und Physik

Sarah Wieghold (vorne) und Juan Li am Rastertunnel-Mikroskop
Sarah Wieghold (vorne) und Juan Li am Rastertunnel-Mikroskop – Photo: Andreas Battenberg / TUM

Als photoaktives Farbstoffmolekül dient den Wissenschaftler Terrylen-Diimid. Das dreibindige Melamin verknüpft die lang gestreckten Diimid-Moleküle zu Netzwerken. Welche Architekturen daraus genau entstehen, legen die Chemiker durch die zuvor eingefügten Seitengruppen des Terrylen-Diimids fest.

„Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für die interdisziplinäre Zusammenarbeit, wie wir sie mit der Einrichtung des Katalyseforschungszentrums beabsichtigt haben, ein perfektes Zusammenspiel von Chemie und Physik“ sagt Professor Ulrich Heiz, der Direktor des Zentralinstituts für Katalyseforschung der TU München.

Die Forschung wurde gefördert mit Mitteln des European Research Council (ERC Grants MolArt und Suprafunktion sowie Graphene Flagship-Projekt), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über die Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), des China Scholarship Council sowie der französischen Agence Nationale de la Recherche und des International Center for Frontier Research in Chemistry (icFRC).

Redaktion
Dr. Andreas Battenberg, Dr. Johannes Wiedersich

Veröffentlichung

Photoresponse of supramolecular self-assembled networks on graphene-diamond interfaces
Sarah Wieghold, Juan Li, Patrick Simon, Maximilian Krause, Yuri Avlasevich, Chen Li, Jose A. Garrido, Ueli Heiz, Paolo Samori, Klaus Müllen, Friedrich Esch, Johannes V. Barth, Carlos-Andres Palma

Kontakt

Prof. Dr. Johannes V. Barth
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289-12608

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