EU-Projekt überwindet Grenzen im Wissen über Nanostrukturen

Ein von der EU finanzierter Forscher hat eine neue Methode zum Abscheiden einer äußerst seltenen Form von Kupferjodid auf eine poröse Nanostruktur gefunden. Während die Merkmale dieser Entdeckung noch weitgehend unbekannt sind, könnte sie jedoch der Türöffner zu einem ganzen Spektrum neuer Anwendungen einschließlich effizienter Solarzellen sein.

Grundlagenforschung

Dieser Durchbruch kam innerhalb des EU-finanzierten NanoCuI-Projekts erst spät und größtenteils zufällig zustande. Im Rahmen des Versuchs, neue, für Solarzellen geeignete Nanomaterialien zu entwickeln, mischte das Projektteam drei einfach verfügbare chemische Stoffe in Wasser und fand heraus, dass diese auf leitfähigem Spezialglas Kupferjodid Polytyp 12 abscheiden konnten. „Eine Untersuchung dieses fünften Kupferjodid-Typs wurde bislang erst einmal veröffentlicht, und für einen Wissenschaftler ist das natürlich eine aufregende Geschichte“, sagt Projektkoordinator Dr. John Fielden von der University of East Anglia im Vereinigten Königreich. „Die Chancen stehen gut, dass dieses neue Material ebenso wie andere Formen von Kupferjodid wirkungsvoll den elektrischen Strom leitet, und die von uns erzeugten Nanostrukturen scheinen die richtige Form für den Einsatz in Farbstoffsolarzellen aufzuweisen.“ Kupferjodid hat eine ganze Reihe von Anwendungen. Man setzt es heute in Textilien zur Stabilisierung der Wärme in Nylon, bei Automobilzubehör und in anderen Marktsektoren ein, wo Haltbarkeit und Gewicht eine Rolle spielen. Das Material wird auch zum Nachweis von Quecksilber verwendet. „Es gibt starkes großes Interesse an Kupferiodid als Material für dünne Schichten“, ergänzt Fielden. „Das war für uns bei diesem Projekt der Ausgangspunkt.“ Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad Im Rahmen des NanoCuI-Projekts wollte man erkunden, ob Kupferjodidelektroden Farbstoffsolarzellen (Dye-sensitized Solar Cell, DSSC) mit höheren Wirkungsgraden in den Bereich des Möglichen rücken. Ein Durchbruch auf diesem Gebiet könnte zu einem Wandel im Solarenergiesektor beitragen, der seinen Wettbewerbsvorsprung auf einem preisbewussten globalen Markt behaupten muss. „Die meisten kommerziellen Solarzellen basieren auf Silizium“, erklärt Fielden. „Diese können einen Wirkungsgrad von bis zu 20 % aufweisen und sind in zunehmendem Maße bezahlbar. Ihre Fertigung ist jedoch energieintensiv und sie benötigen hohe Lichtintensitäten, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.“ In den letzten 20 Jahren haben sich viele Forscherinnen und Forscher auf alternative Farbstoffsolarzellen auf der Basis von Titandioxidanoden (ein häufiger Bestandteil von Farben) mit molekularen Farbstoffen konzentriert, die Licht absorbieren. Diese sind möglicherweise kostengünstiger und funktionieren unter schlechten Lichtverhältnissen besser, aber die Spitzenwirkungsgrade sind immer noch weitaus geringer als bei Silizium. Die Forschenden wollten daher erfahren, ob neue Solarenergiebauelemente, sogenannte p-Typ-Farbstoffphotokathoden (p-DSSC), mit herkömmlichen DSSC-Anoden kombiniert werden könnten, um effizientere Bauelemente zu erzeugen. „Das sollte uns im Prinzip ermöglichen, eine höhere Spannung zu erzielen, und wenn wir es technisch richtig hinbekommen, wird ein Farbstoff kürzere Wellenlängen an der Anode absorbieren und ein anderer den Rest des Spektrums an der Kathode“, erläutert Fielden. „Absorbieren wir mehr Licht, können wir sowohl Strom als auch Spannung gewinnen.“ Jedoch sind p-DSSCs meist aus Nickeloxidkathoden hergestellt, die aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit schlechte Wirkungsgrade bewirken. Fielden versuchte, das Nickeloxid durch Kupferjodid zu ersetzen, das ungefähr einhundertmal leitfähiger ist. Bei Experimenten zur Entwicklung des richtigen Kupferjodidnanomaterials entdeckte er eine Methode zur Erzeugung von nanostrukturiertem Kupferjodid des Polytyps 12R. Wissenschaftliche Entdeckung Fielden und seinem Team gelang die erfolgreiche Entwicklung von mit winzigen, miteinander verbundenen Kupferjodidpartikeln beschichteten Elektroden. Nach Versuchen mit Solarzellen war man jedoch von deren Wirkungsgraden eher enttäuscht. „Im Moment sind wir uns nicht sicher, warum das so ist“, erläutert er. „Es könnte die Nanostruktur oder das Material selbst sein. Auf jedem Fall gehe ich davon aus, dass die Auswirkungen dieses Projekts auf die grundlegenden Material- und Nanowissenschaften noch bedeutend sein werden. So hat beispielsweise noch niemand jemals zuvor die Eigenschaften dieses speziellen Typs von Kupferjodid untersucht.“ Fielden bestätigt, dass wissenschaftliche Projekte wie NANOCUI, bei denen kein eindeutiges Ergebnis gewährleistet ist, nur mit Unterstützung von Finanzmitteln von Gremien wie etwa der EU möglich sind. „Erst diese Projekte versetzen uns in die Lage, neue Dinge auszuprobieren“, bekräftigt er. „Es gibt immer wieder Überraschungen und Entdeckungen. Damit wir neue Produkte entwickeln und voranbringen können, müssen wir Risiken eingehen, was ganz besonders für komplexe Komponenten wie etwa Solarzellen gilt.“

Schlüsselbegriffe

NANOCUI, Solarzellen, Nanomaterialien, Kupferjodid, Photokathoden, p-Typ, Nickeloxid, Elektrizität

Nano-Copper Iodide: A New Material for High Performance P-Type Dye-Sensitized Solar Cells

EU-Projekt überwindet Grenzen im Wissen über Nanostrukturen

Schlüsselbegriffe

Entdecken Sie Artikel in demselben Anwendungsbereich

Diese Seite teilen

Herunterladen