Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel um Effizienzverlust von Zinkoxid-basierten Farbstoffsolarzellen aufgeklärt

13.04.2016

Um Sonnenenergie in Strom oder solare Brennstoffe umzuwandeln, benötigt man spezielle Materialsysteme. Zum Beispiel solche, die aus organischen und anorganischen dünnen Schichten bestehen. Bei der Umwandlung der Sonnenenergie spielen Prozesse an den Grenzflächen dieser Schichten eine entscheidende Rolle. Nun hat ein HZB-Team um Prof. Emad Aziz erstmals mit ultrakurzen Laserpulsen direkt beobachtet, wie sich zwischen den organischen Farbstoffmolekülen und einer Zinkoxid-Halbleiterschicht Grenzflächenzustände bilden, in denen Ladungsträger eingefangen werden. Dies erklärt, warum ZnO-Farbstoffsolarzellen aktuell hinter den Erwartungen zurückbleiben.

Die Ergebnisse sind im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der australischen Monash-University am Joint Lab vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Freien Universität Berlin (FU) entstanden und im Open Access Magazin von Nature, den Scientific Reports, online publiziert.


Das Bild zeigt, wie Sonnenlicht zunächst ein Farbstoffmolekül anregt und ein Elektron freisetzt. Das Elektron kann an der Grenzfläche zwischen Farbstoff- und ZnO-Halbleiterschicht eingefangen werden

HZB/Mario Borgwardt

Die Energie der Sonne in Strom oder auch solaren Wasserstoff umzuwandeln, gelingt mit einer ganzen Reihe von Materialien. Eine wichtige Klasse von organischen Solarzellen besteht zum Beispiel aus Farbstoffen, die auf dem Halbleitermaterial Titandioxid (TiO2) aufgetragen sind.

Dabei dienen die Farbstoffmoleküle als eine Art „Übersetzer“ für die Sonnenenergie. Sie fangen das Licht ein, wobei freie Ladungen entstehen, die dann im Titandioxid den Stromfluss ermöglichen. Allerdings ist TiO2 längst nicht optimal, Zinkoxid (ZnO) sollte aufgrund seiner Eigenschaften eigentlich viel besser als Elektrodenmaterial geeignet sein:

Denn in ZnO sind die Ladungsträger wesentlich mobiler, so dass sie nach der Ladungstrennung rascher abfließen sollten. Außerdem lassen sich mit ZnO auf einfache Weise Nanoarchitekturen herstellen, die das Sonnenlicht besonders effizient einfangen.

Entwicklung angeregter Zustände im Detail untersucht

Dennoch ist es bisher nicht gelungen, mit ZnO Solarzellen zu bauen, die besser sind als diejenigen auf TiO2. Ein Team um Emad Aziz hat nun erstmals die Ursache direkt beobachtet und im „Joint Ultrafast Dynamics Lab in Solutions and at Interfaces“ im Detail untersucht. Das Joint Lab wird gemeinsam vom HZB und der FU Berlin betrieben.

Es verfügt über eine Reihe modernster Laserinstrumente, darunter auch ein zeitaufgelöstes Photoelektronspektrometer, das ultrakurze XUV-Pulse von unter 45 Femtosekunden Dauer erzeugen kann. Diese ultrakurzen Lichtblitze ermöglichen es, sowohl die zeitliche als auch energetische Entwicklung angeregter Zustände in ultrakurzen Zeitabschnitten zu verfolgen.

Grenzflächenzustände als "Fallen" für die Ladungsträger identifiziert

„Unsere Messungen zeigen erstmals direkt, dass Ladungsträger durch Bildung eines Grenzflächenzustandes zwischen Farbstoff und Halbleiter an dessen Oberfläche eingefangen werden. Dadurch stehen sie nicht mehr unmittelbar als freie Ladungsträger zur Verfügung“, erklärt Mario Borgwardt, Doktorand im Team Aziz. Diese „eingefangenen“ Elektronen im Grenzflächenzustand bleiben länger an Ort und Stelle. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sie durch Rekombination wieder „verloren“ gehen. Dies reduziert den Wirkungsgrad der Solarzelle.

Die Proben für das Experiment hat Prof. Leone Spiccias Team von der Monash University zur Verfügung gestellt. Durch den Besuch von Spiccia im letzten Jahr im Zuge seines Helmholtz International Fellowship Awards der Helmholtz-Gemeinschaft ist eine fruchtbare Kooperation entstanden, die grundlegend zum Erfolg dieses Projekts beigetragen hat.

Hinweise für das Design von Energiematerialien

Emad Aziz erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: „Die Arbeit führt zu einem besseren Verständnis der Prozesse an der Grenzfläche zwischen Farbstoffmolekül und Halbleiter. Wir haben damit verstanden, wie Farbstoff und Halbleitermaterial miteinander kommunizieren. Damit können wir nun Ansätze finden, diese Kommunikation gezielt zu verbessern. Das ist nicht nur für das Design von Farbstoffsolarzellen wichtig, sondern auch um Materialsysteme für die photokatalytische Herstellung von Wasserstoff entwickeln zu können, also für die Speicherung von Sonnenenergie in Form des Brennstoffs Wasserstoff.“

Die Ergebnisse sind in Scientific Reports 6, Article number: 24422 (2016) publiziert. doi:10.1038/srep24422
Charge Transfer Dynamics at Dye-Sensitized ZnO and TiO2 Interfaces Studied by Ultrafast XUV Photoelectron Spectroscopy. Mario Borgwardt, Martin Wilke, Thorsten Kampen, Sven Mähl, Manda Xiao, Leone Spiccia, Kathrin M. Lange, Igor Yu. Kiyan & Emad F. Aziz

Kontakt:
Prof. Dr. Emad Flear Aziz
E-Mail: emad.aziz@helmholtz-berlin.de

Mario Borgwardt
E-Mail: mario.borgwardt@helmholtz-berlin.de

HZB-Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
E-Mail: antonia.roetger@helmholtz-berlin.de
Tel: 030/8062-43733

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14434&sprache=de&ty...
http://www.nature.com/articles/srep24422

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Fraunhofer ISE unterstützt Marktentwicklung solarthermischer Kraftwerke in der MENA Region
21.02.2018 | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

nachricht Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik
17.02.2018 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kameratechnologie in Fahrzeugen: Bilddaten latenzarm komprimiert

21.02.2018 | Messenachrichten

Mit grüner Chemie gegen Malaria

21.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Periimplantitis: BMBF fördert zahnärztliches Verbund-Projekt mit 1,1 Millionen Euro

21.02.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics