Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wegweisende Grundlagenforschung zu organischen Solarzellen

28.06.2012
Wenn es um die effiziente und kostengünstige Erzeugung von Solarstrom geht, sind organische Solarzellen aus Kunststoff eine vielversprechende Alternative zu klassischen Siliziumzellen.

Für ihre Forschungsarbeiten auf diesem noch jungen Gebiet der Photovoltaik hat Dr. Ruth Lohwasser, Universität Bayreuth, kürzlich den Ersten Preis bei den renommierten DSM Science & Technology Awards erhalten. In ihrer preisgekrönten Dissertation entwickelt sie materialwissenschaftliche Grundlagen für polymere Halbleiter und deren Strukturierung auf der Nanoskala, also in einer Größenordnung bis zu 100 Nanometern.

Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es, die Eigenschaften der als Halbleiter verwendeten Kunststoffe und die Funktionsweise der daraus gefertigten Solarzellen möglichst genau zu verstehen. Auf dieser materialwissenschaftlichen Basis lassen sich voraussichtlich neue Technologien entwickeln, die imstande sind, einen hohen Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzuwandeln. Zugleich bietet sich die Chance, kostengünstige Solarzellen in einfachen Druckverfahren herzustellen. Denn polymere Halbleiter sind sehr gut löslich und lassen sich aus Lösung verarbeiten.

Strukturelle Voraussetzungen für leistungsstarke Halbleiter

Organische Solarzellen sollen in der Lage sein, möglichst viel Lichtenergie zu absorbieren und eine möglichst große Menge davon als elektrischen Strom nach außen abzugeben. Wie lässt sich dieses Ziel mit polymeren Halbleitern erreichen? "Insbesondere dadurch, dass für den Transport von Elektronen und Löchern innerhalb der Solarzelle viele Bahnen bereitstehen", erläutert Dr. Ruth Lohwasser. "Elektronen sind negative Ladungsträger, als 'Löcher' oder 'Defektelektronen' werden die positiven Ladungsträger bezeichnet. Die Bahnen, auf denen diese gegensätzlichen Ladungen transportiert werden, müssen in Abständen von wenigen Nanometern verlaufen. So ist gewährleistet, dass die durch Lichtenergie angeregten Elektronen einen Stromkreislauf in Gang setzen."

Die Bayreuther Chemikerin hat sich deshalb auf die Suche nach Materialien begeben, die in der geforderten Weise strukturiert werden können. Diese Strukturierung muss bereits auf der Nanoskala erfolgen. Denn an Grenzflächen in dieser Größenordnung trennen sich, sobald Lichtenergie absorbiert wird, negative und positive Ladungen – eine Voraussetzung dafür, dass Strom fließen kann. Je präziser sich also die Materialien auf der Nanoskala strukturieren lassen, desto genauer kann die Erzeugung von Elektronen und Löchern gesteuert werden. Und desto genauer lassen sich auch die Eigenschaften der Transportbahnen einstellen, auf denen diese Ladungen zu den Elektroden der Solarzelle weitergeleitet werden.

Welche Materialien erlauben eine derartige Feinstrukturierung? Als Mitglied eines Forschungsteams um Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, der im Rahmen des EU-Projekts "LARGECELLS" schon seit mehreren Jahren die organische Photovoltaik vorantreibt, ist Dr. Ruth Lohwasser auf eine besondere Klasse von Makromolekülen aufmerksam geworden. Diese werden in der Forschung "Blockcopolymere" genannt und eignen sich unter bestimmten Voraussetzungen besonders gut zur Strukturierung auf der Nanoskala.

Nanostrukturierte Blockcopolymere als Bausteine für organische Solarzellen

Blockcopolymere sind Makromoleküle, die aus zwei chemisch verschiedenen Ketten bestehen. An genau einer Stelle sind die Ketten miteinander verknüpft. Damit nun ein solches Makromolekül für den Bau von Halbleitern geeignet ist, müssen hinsichtlich der beiden Ketten vor allem die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein: In der einen Kette wiederholt sich mehrfach eine Moleküleinheit, die Elektronen leitet; in der anderen Kette wiederholt sich mehrfach eine Moleküleinheit, die Löcher leitet. Die so strukturierten Ketten verteilen sich auf räumlich klar unterscheidbare, nanometergroße Bereiche des Makromoleküls. Ihre chemische Verknüpfung gewährleistet, dass sich die beiden unterschiedlichen Molekülteile nicht weiter räumlich trennen können.

Blockcopolymere mit einem derartigen Aufbau lassen sich, wie Dr. Ruth Lohwasser in ihrer Arbeit zeigt, zu wohlgeordneten Großstrukturen zusammenfügen. Die von ihr entwickelten Syntheseverfahren führen zu polymeren Halbleitern, die eine Vielzahl deutlich getrennter, aber eng benachbarter Transportbahnen für Elektronen und Löcher enthalten. Eine Pointe ihrer Forschungen liegt in dem Nachweis, dass sich durch ein gezieltes Feindesign der Blockcopolymere die Strukturen, Eigenschaften und Verhaltensweisen der Halbleiter steuern lassen, die bei der Synthese herauskommen. Wenn man beispielsweise die Anzahl der sich wiederholenden Moleküleinheiten und damit die Länge der beiden ladungsleitenden Ketten erhöht oder verringert, ändert sich auch die Größe und die Art der Transportbahnen.

"Diese materialwissenschaftlichen Grundlagen helfen bei der Entwicklung künftiger polymerer Halbleiter, die in organischen Solarzellen für eine effiziente Stromgewinnung sorgen können", erklärt die Bayreuther Polymerwissenschaftlerin. "Damit sind wir dem Ziel näher gekommen, eines Tages großflächige und kostengünstige Plastikfolien herstellen zu können, die Lichtenergie in Elektrizität verwandeln."

Und noch ein weiterer Aspekt macht die neuen Forschungsergebnisse nicht nur für die Industrie, sondern auch für die Öffentlichkeit attraktiv: Durch das Feindesign der Kunststoffmoleküle lassen sich die Farben und weitere ästhetisch relevante Eigenschaften der organischen Solarzellen gezielt beeinflussen.

Erfolgreich gegenüber internationalen Wettbewerbern

In Hinblick auf die hohe gesellschaftliche Bedeutung ihrer Grundlagenforschung ist Dr. Ruth Lohwasser der mit 10.000 Euro dotierte Erste Preis bei den DSM Science & Technology Awards (South) 2012 zuerkannt worden. In der Endrunde dieses multinationalen Wettbewerbs konnte sich die Bayreuther Absolventin gegenüber 11 anderen Nachwuchswissenschaftlern aus Frankreich, der Schweiz, Österreich und Süddeutschland durchsetzen, nachdem sie von ihrem Doktorvater Prof. Dr. Mukundan Thelakkat für die Auszeichnung vorgeschlagen worden war. Bei einer Festveranstaltung in Interlaken / Schweiz nahm sie den Preis persönlich entgegen. Die DSM Gruppe ist ein weltweit agierendes Unternehmen mit Schwerpunkten u.a. in den Bereichen Gesundheit, Ernährung und Neue Materialien.

Zur Person:

Dr. Ruth Lohwasser (28) hat, nach ihrem Abitur in Bamberg, an der Universität Bayreuth den Diplom-Studiengang Chemie absolviert. Während ihrer anschließenden Promotion bei Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, Professor für Angewandte Funktionspolymere am Lehrstuhl Makromolekulare Chemie I (Leiter: Prof. Dr. Hans-Werner Schmidt), hat sie am Elite-Studienprogramm "Macromolecular Science" teilgenommen. Dieses Studienprogramm gehört zum Elitenetzwerk Bayern und wird von der Universität Bayreuth koordiniert.

Veröffentlichung:

Ruth Lohwasser,
Chain-growth polymerization of 3-hexylthiophene towards well-defined semiconductor block copolymers.
Bayreuth, Univ., Diss., 2012
Online-Publikation: http://opus.ub.uni-bayreuth.de/volltexte/2012/959/
Kontaktadresse:
Dr. Ruth Lohwasser
Makromolekulare Chemie
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
E-Mail: ruth.lohwasser@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab
17.01.2017 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

17.01.2017 | Physik Astronomie

Wasser - der heimliche Treiber des Kohlenstoffkreislaufs?

17.01.2017 | Geowissenschaften

Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab

17.01.2017 | Biowissenschaften Chemie