Münchener Forscher kreieren neues PV-und Akku-Material

München - Mit einem neuen Verfahren stellen Forscher der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hauchdünne Halbleiterschichten her. Dieses Material könnte für kleine, leichte und langlebige flexible Solarzellen oder auch für Elektroden leistungsfähiger Akkus verwendet werden.
Die Beschichtung des Plättchens schimmert wie Opal und hat erstaunliche Eigenschaften: Sie ist hart wie ein Kristall, hauchdünn und – da hochporös – federleicht. 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.
Bienenwabe aus anorganischem, halbleitendem Germanium
Professor Thomas Fässler, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München, erklärt: „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.“
Um sprödes, hartes Germanium in eine flexible und poröse Schicht zu verwandeln, mussten die Forscher allerdings einige Tricks anwenden. So wurde ein neuer Syntheseweg gefunden, 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.
Poröses Germanium mit einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften
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 Templates durch Erhitzen herausgelöst. Übrig bleibt der porenreiche Nano-Film.
„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.“
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).
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