TU München und Ludwig-Maximilians-Universität Neue Wege zu hybriden Solarzellen

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

Mit einem neuen Verfahren stellen Forscher der TUM und der LMU hauchdünne, robuste und gleichzeitig hochporöse Halbleiterschichten her. Ein vielversprechendes 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 Technischen Universität München (TUM) in Händen hält, schimmert wie Opal. Und sie 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. »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 nutzt man Ätztechniken, um die Oberfläche von Germanium zu strukturieren. Diese Top-down-Methode ist jedoch auf atomarer Ebene schwer zu kontrollieren. 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.