Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanostrukturiertes Germanium für portable Photovoltaik und Akku-Elektroden

07.12.2015

Mit einem neuen Verfahren stellen Forscher der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hauchdünne, robuste und gleichzeitig hochporöse Halbleiterschichten her. Ein viel versprechendes Material – beispielsweise für kleine, leichte und langlebige flexible Solarzellen oder Elektroden für leistungsfähigere Akkus.

Die Beschichtung des Plättchens, das Professor Thomas Fässler, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München in Händen hält, schimmert wie Opal. Und sie hat erstaunliche Eigenschaften: Sie ist hart wie ein Kristall, hauchdünn und – da hochporös – federleicht.


Mit geeigneten Polymeren gefüllt, werden aus der hochporösen Germaniumschicht hybride Solarzellen

Foto: Andreas Battenberg / TUM


Elektronenmikroskopische Aufnahme der Germanium-Struktur nach Herauslösen der polymeren Template

Bild: Katia Rodewald / TUM

Indem sie in die Poren des Materials geeignete organische Polymere einbauen, können die Wissenschaftler die elektrischen Eigenschaften der entstehenden Hybridmaterialien maßschneidern. Die Bauweise spart nicht nur Platz, sondern schafft auch große Grenzflächen, die den Wirkungsgrad erhöhen.

„Unser Ausgangsmaterial kann man sich wie ein großporiges Gerüst vorstellen, ähnlich aufgebaut wie eine Bienenwabe. Die Wände bestehen aus anorganischem, halbleitendem Germanium, das elektrische Ladungen erzeugen und speichern kann. Weil die Wabenwände hauchdünn sind, müssen Ladungen keine weiten Wege zurücklegen“, erklärt Fässler.

Der neue Bauplan: Bottom-up statt Top-down

Um sprödes, hartes Germanium in eine flexible und poröse Schicht zu verwandeln, mussten die Forscher allerdings einige Tricks anwenden. Traditionell werden Ätztechniken eingesetzt, um die Oberfläche von Germanium zu strukturieren. Diese Top-down-Methode ist jedoch auf atomarer Ebene schwer kontrollierbar. Das neue Verfahren löst dieses Problem.

Zusammen mit seinem Team hat Fässler einen Syntheseweg etabliert, der die gewünschten Strukturen exakt und reproduzierbar erzeugt. Ausgangsmaterial sind Cluster aus jeweils neun Germanium-Atomen. Weil diese Cluster elektrisch geladen sind, stoßen sie sich ab, solange sie sich in Lösung befinden. Eine Vernetzung findet erst statt, wenn das Lösungsmittel abgedampft wird.

Sie kann durch einfaches Erhitzen auf 500 °C oder chemisch erfolgen. Dazu gibt man beispielsweise Germaniumchlorid zu. Nimmt man stattdessen andere Chloride, wie zum Beispiel Phosphorchlorid, so lassen sich die Germaniumstrukturen auf einfachste Weise dotieren. Die Eigenschaften der resultierenden Nanomaterialien können die Wissenschaftler damit gezielt einstellen.

Kunststoffkügelchen als Nano-Template

Damit die Germanium-Cluster die gewünschten porösen Strukturen bilden, entwickelte LMU-Forscherin Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing eine Methode, die eine Nanostrukturierung ermöglicht: Winzige Polymerkügelchen bilden im ersten Schritt dreidimensionale Schablonen.

Im nächsten Schritt füllt die Germaniumcluster-Lösung die Lücken zwischen den Kügelchen. Sobald sich auf der Oberfläche der Kügelchen stabile Germanium-Netzwerke gebildet haben, werden die Template durch Erhitzen herausgelöst. Übrig bleibt der porenreiche Nano-Film.

Die eingesetzten Polymerkügelchen haben einen Durchmesser von 50 bis 200 Nanometern und bilden eine Opalstruktur. Das Germanium-Gerüst, das an ihren Oberflächen entsteht, bildet die Negativform – eine inverse Opalstruktur. Die Nanoschichten schimmern daher wie Opal.

„Schon das poröse Germanium hat einzigartige optische und elektrische Eigenschaften, von dem viele energierelevante Anwendungen profitieren können“, sagt LMU-Forscherin Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing, die zusammen mit Fässler das Material entwickelte. „Darüber hinaus können wir die Poren mit verschiedensten funktionellen Stoffen füllen und so eine breite Palette neuartiger Hybridmaterialien erzeugen.“

Nano-Schichten machen portable Photovoltaik fit für die Zukunft

„Kombiniert mit Polymeren eignen sich poröse Germanium-Strukturen für die Entwicklung einer neuen Generation stabiler, superleichter und flexibler Solarzellen, die unterwegs Handy, Kamera und Laptop aufladen könnten“, erläutert Physiker Peter Müller-Buschbaum, Professor für Funktionelle Materialien der TU München.

Hersteller auf der ganzen Welt suchen derzeit nach leichten und strapazierfähigen Materialien für portable Solarzellen. Bisher werden meist organische Verbindungen verwendet, die empfindlich und nicht besonders langlebig sind. Durch Hitze und Lichteinstrahlung zersetzen sich die Polymere, die Leistung nimmt ab. Die dünnen und gleichzeitig stabilen Germanium-Hybridschichten wären da eine echte Alternative.

Nanoschichten für neue Batteriesysteme

Als nächstes wollen die Forscher die neue Technik nutzen, um auch hochporöse Silizium-Schichten herzustellen. Die Schichten werden derzeit auch als Anode für wieder aufladbare Batterien getestet. Sie könnten die bisher üblichen Graphitschichten in Akkus ersetzen und deren Kapazität verbessern.

Gefördert wurde die Entwicklung durch das Programm „Solar Technologies go Hybrid“ des Bayerischen Wissenschaftsministeriums, im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich (NIM) durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie durch das Center for Nanoscience (CeNS).

Publikation:

Zintl Clusters as Wet Chemical Precursors for Germanium Nanomorphologies with Tunable Composition; Manuel M. Bentlohner, Markus Waibel, Patrick Zeller, Kuhu Sarkar, Peter Müller-Buschbaum, Dina Fattakhova-Rohlfing, Thomas F. Fässler
Angewandte Chemie, online 03.12.2015 – DOI: 10.1002/ange.201508246

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas F. Fässler
Technische Universität München
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 13131 – E-Mail: Thomas.Faessler@lrz.tum.de

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201508246/full
http://www.ch.tum.de/faessler/
https://vimeo.com/76125397

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Bayreuther Forscher entdecken stabiles hochenergetisches Material
14.10.2019 | Universität Bayreuth

nachricht Neuer Werkstoff für den Bootsbau
14.10.2019 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Im Focus: An ultrafast glimpse of the photochemistry of the atmosphere

Researchers at Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in Munich have explored the initial consequences of the interaction of light with molecules on the surface of nanoscopic aerosols.

The nanocosmos is constantly in motion. All natural processes are ultimately determined by the interplay between radiation and matter. Light strikes particles...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Digitalisierung trifft Energiewende

15.10.2019 | Veranstaltungen

Bauingenieure im Dialog 2019: Vorträge stellen spannende Projekte aus dem Spezialtiefbau vor

15.10.2019 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2019

14.10.2019 | Veranstaltungen

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

Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

16.10.2019 | Messenachrichten

Es braucht mehr als einen globalen Eindruck, um einen Fisch zu bewegen

16.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Blindgänger mit Laser entschärft: Erfolgreicher Feldversuch zum Projektende

16.10.2019 | Physik Astronomie

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