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 »ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

nachricht Intelligentes Lademanagement entwickelt – Forschungsprojekt ePlanB abgeschlossen
18.10.2017 | Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise