Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Photovoltaik aus selbstorganisierenden supramolekularen Netzwerken

02.03.2016

Organische Photovoltaik wird von vielen als Einstieg in eine kostengünstigere Stromerzeugung angesehen. Eine der noch zu lösenden Herausforderungen ist die geringe Ordnung der dünnen Schichten auf den Elektroden. Einen neuen Ansatz präsentiert nun ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM): Auf Graphenoberflächen bauten sie photoaktive Schichten aus sich selbst organisierenden molekularen Netzwerken. Ihre Forschungsergebnisse eröffnen interessante, neue Möglichkeiten, opto-elektronische Bauelemente molekülgenau herzustellen.

Unübertroffen beherrscht es die Natur, sich selbst organisierende, komplexe, molekulare Maschinerie aufzubauen. Diese kann Licht absorbieren und damit Ladungen trennen und Elektronen übertragen. Nanotechnologen träumen schon lange davon, diese biomolekularen Strukturen nachzuahmen und sie für eine kostengünstige Stromproduktion zu nutzen.


Rastertunnelmikroskopisches Bild des Netzwerks aus mit Melamin verknüpften Terrylendiimidmolekülen; rechts eingeblendet: Modell der atomaren Struktur

Bild: C. A. Palma / TUM

Forscher der Fakultäten für Physik und für Chemie der TU München, des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und der Université de Strasbourg (UdS) haben nun Farbstoffmoleküle so modifiziert, dass sie als Bausteine für selbstorganisierende molekulare Netzwerke einsetzbar sind.

Auf der atomar glatten Oberfläche einer Graphenschicht auf Diamant formen die Moleküle die Zielarchitektur von selbst, ähnlich wie bei Proteinen oder in der DNA-Nanotechnologie. Die einzige treibende Kraft sind dabei die eingebauten, supramolekularen Wechselwirkungen auf der Basis von Wasserstoffbrücken. Wie erwartet produzierten die fertigen Netzwerke bei Belichtung Strom.

Von der Kunst zur Anwendung

„Lange Zeit galten die selbstorganisierenden molekularen Architekturen eher als Kunst,“ sagt PD Dr. Friedrich Esch, einer der Autoren der Arbeit. „Mit dieser Publikation präsentieren wir zum ersten Mal eine ernsthafte praktische Anwendung dieser Technologie.“

„Für die herkömmliche organischen Photovoltaik ist die Verbesserung der molekularen Ordnung noch immer eine Herausforderung. Der Nanotechnologie-Werkzeugkasten bietet uns dagegen die Möglichkeit, die Anordnung der Bausteine der Schicht atomgenau vorherzubestimmen,“ sagt Dr. Carlos-Andres Palma, der die Experimente mit betreute. „Über die physikalisch-chemische Steuerung der Komponenten haben wir weitere Stellschrauben für die Funktionsoptimierung.“

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, auch größere Flächen beschichten zu können und die photovoltaischen Eigenschaften unter Standardbedingungen zu reproduzieren. „Von selbstorganisierenden Schichten mit Farbstoffen, eingelagert zwischen zweidimensionalen Graphen-Elektroden, versprechen wir uns eine einfache Maßstabsvergrößerung, hin zu effizienten Photovoltaik-Elementen,“ sagt Dr. Palma. „Unsere Schichten werden damit zu einer Option für die Solar-Technologie.“

Perfektes Zusammenspiel von Chemie und Physik

Als photoaktives Farbstoffmolekül dient den Wissenschaftler Terrylen-Diimid. Das dreibindige Melamin verknüpft die lang gestreckten Diimid-Moleküle zu Netzwerken. Welche Architekturen daraus genau entstehen, legen die Chemiker durch die zuvor eingefügten Seitengruppen des Terrylen-Diimids fest.

„Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für die interdisziplinäre Zusammenarbeit, wie wir sie mit der Einrichtung des Katalyseforschungszentrums beabsichtigt haben, ein perfektes Zusammenspiel von Chemie und Physik“ sagt Professor Ulrich Heiz, der Direktor des Zentralinstituts für Katalyseforschung der TU München.

Die Forschung wurde gefördert mit Mitteln des European Research Council (ERC Grants MolArt und Suprafunktion sowie Graphene Flagship-Projekt), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über die Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), des China Scholarship Council sowie der französischen Agence Nationale de la Recherche und des International Center for Frontier Research in Chemistry (icFRC).

Publikation:

Photoresponse of supramolecular self-assembled networks on graphene–diamond interfaces
Sarah Wieghold, Juan Li, Patrick Simon, Maximilian Krause, Yuri Avlasevich, Chen Li, Jose A. Garrido, Ueli Heiz, Paolo Samori, Klaus Müllen, Friedrich Esch, Johannes V. Barth, Carlos-Andres Palma
nature communications, 25.02.2016, DOI: 10.1038/ncomms10700

Kontakt:

Prof. Dr. Johannes V. Barth
Technische Universität München
Physik-Department (E20)
James Franck Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 12608 – E-Mail: e20office@ph.tum.de

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/ncomms/2016/160225/ncomms10700/abs/ncomms10700.html
http://www.e20.ph.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Bionik-Forschungsvorhaben untersucht mechanische Eigenschaften von Außenskeletten
26.03.2018 | Hochschule Bremen

nachricht Winzige Zell-Implantate funktionieren auch in vivo
19.03.2018 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

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

Nachhaltige und innovative Lösungen

19.04.2018 | HANNOVER MESSE

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur optischen Kernuhr

19.04.2018 | Physik Astronomie

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