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Kohlenstoff-basierte Photovoltaik

Die Nutzung der nahezu unbegrenzten Energie der Sonne zur Erzeugung von Photovoltaikstrom ist eine vielversprechende nachhaltige Alternative für die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Neue Erkenntnisse zu Halbleitern könnten den notwendigen technologischen Durchbruch erzielen.
Kohlenstoff-basierte Photovoltaik
Die Technologie ist in den letzten Jahrzehnten mit riesigen Schritten vorangekommen und rund um den Globus sind zahlreiche Systeme im Einsatz. Herkömmliche PV-Technologie basiert in erster Linie auf Silizium (Si). Jetzt, in der dritten Generation, werden anorganische Dünnschichtsolarzellen verwendet. Allerdings wurde die flächendeckende Umsetzung durch Herausforderungen im Zusammenhang mit den Herstellungskosten und der Umwandlungseffizienz gehemmt.

Solarzellen aus organischen Halbleitern wie bspw. Polymeren mit Kohlenstoffstrukturen können ohne Weiteres zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Hetero-Übergangsstrukturen, in denen Elektronendonator- und Elektronenakzeptor-Halbleiterschichten vermischt werden, können die Elektronenbewegung erhöhen und dadurch die Effizienz steigern. Die Wissenschaftler konzentrieren sich im Rahmen des von der EU geförderten Projekts „Spectroscopic insight with nanoscale resolution on model photovoltaic systems“ (NANOPV) auf zwei potenzielle Systeme.

Das erste System beinhaltete kovalent verbundene organische Heterostrukturen, die deutlich voneinander getrennte Entitäten verschiedener elektronischer Eigenschaften umfassten. Das Team suchte nach Wegen für eine kovalente Kupplung von Ausgangsstoffen, die zur Bildung von Graphen-Nanobändern (Graphene Nanoribbon, GNR) führen. Graphen ist eine nanostrukturierte Form von Kohlenstoff, eine ein Atom dicke Platte aus Kohlenstoffatomen.

Unter Anwendung zweier verschiedener chemischer Syntheseverfahren auf eine Vielzahl von Substraten konnte das Team erfolgreich atomgenaue Graphen-Nanobänder herstellen, die breiter als eingangs erwähnte sind. Dies führte zu kleineren Bandlücken (je kleiner die Lücke zwischen einem Band, desto leitfähiger ist das Material), Außerdem waren die beobachteten chemischen Veränderungen anders und weitaus komplexer als erwartet.

Die Experimente lieferten dank einer Sichtbarmachung von Neuanordnungen kovalenter Bindungen während der GNR-Bildung ungeahnte Erkenntnisse. Das entsprechende Manuskript wurde zur Veröffentlichung in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Science“ freigegeben. Verschiedene weitere Artikel befinden sich in unterschiedlichen Phasen der Überprüfung oder der Publikation in weiteren angesehenen Zeitschriften.

Die Wissenschaftler synthetisierten und beschrieben außerdem eine große Anzahl nicht kovalent verbundener Bikomponenten-Molekularmischungen. Abgesehen davon, dass ein besseres Verständnis spezieller Abweichungen in bestimmten Systemen erreicht wurde, konnte das Team einen wichtigen Trend im Hinblick auf Stöchiometrie-abhängige Energieanordnungen in Donator-Akzeptor-Mischungen von Grenzflächen an Metalloberflächen ausmachen. In den kommenden Publikationen werden wichtige Erkenntnisse vorgestellt.

Es wird damit gerechnet, dass die Ergebnisse des NANOPV-Projekts einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung organischer Photovoltaiksysteme leisten, da Kosteneinsparungen und eine verbesserte Energieumwandlungseffizienz möglich sind. Verbesserungen bei der Elektronenbewegung werden ebenfalls wichtige Auswirkungen auf organische Elektrogeräte in vielen anderen Anwendungsbereichen haben.

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Schlüsselwörter

Photovoltaik, organische Halbleiter, Hetero-Übergang, Strukturen, Graphen-Nanoband
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