Navigation

Skiplinks

Forschung

Forschung

Unsere Forschung konzentriert sich auf das Potential, welches kolloidal hergestellte Nanokristalle sowie auch organische Materialien in umweltbezogenen Anwendungsgebieten besitzen. Hierbei werden aktuell zwei Themenbereiche bearbeitet: Das Hauptarbeitsgebiet bilden verschiedene Arten von Solarzellen, ein weiteres Feld stellen Anwendungsmöglichkeiten metallischer Nanokristalle in der heterogenen Katalyse dar. Auf dieser Seite wird ein kurzer Überblick über die Forschungsbereiche gegeben.

Organische Solarzellen aus leitfähigen Polymeren und Fullerenderivaten

Vor dem Hintergrund begrenzter Reserven an fossilen Energien sowie des Klimaschutzes stellt die Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom ein wichtiges Konzept der alternativen Energiegewinnung dar. Einen besonders innovativen Bereich der Photovoltaik bilden dabei organische Solarzellen auf Basis leitfähiger Polymere, da dieser Ansatz ein hohes Potential zur Herstellung kostengünstiger Solarzellen auf flexiblen Substraten birgt. Das Kernstück sogenannter "bulk heterojunction"-Solarzellen bildet ein Gemisch aus einem leitfähigen Polymer und einer zweiten Materialkomponente, typischerweise eines Fullerenderivates. Aufgrund der unterschiedlichen energetischen Lage der Molekülorbitale in beiden Komponenten bildet solch ein Gemisch ein sogenanntes Donor/Akzeptor-System. Dies bedeutet, dass nach Lichtabsorption im Polymer (Elektronendonor) ein Ladungstransfer auf das Fulleren (Elektronenakzeptor) stattfinden kann, so dass die lichtinduzierten Ladungsträger räumlich getrennt werden – ein wichtiger Elementarschritt in der Umwandlung von Licht in Strom. Nach der Ladungstrennung müssen die Elektronen und Löcher dann über Transportpfade durch die Donor- bzw. Akzeptorkomponente zu den Elektroden abtransportiert werden. Abb. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen "bulk heterojunction"-Solarzelle.

Bild

Abb. 1 - Schematische Darstellung einer typischen "bulk heterojunction"-Solarzelle

Halbleiter-Nanokristalle

Kristalle mit einer Ausdehnung von wenigen Nanometern bestehen aus nur ~1000 Atomen. In diesem Grenzbereich zwischen kleinen Molekülverbänden einerseits und ausgedehnten Festkörpern andererseits ergeben sich physikalische Eigenschaften, welche stark von denen ausgedehnter Festkörper abweichen können. Ein beeindruckendes Beispiel ist der sogenannte Größenquantisierungseffekt: Die Bandlücke eines Halbleiter-Nanokristalls hängt von der Partikelgröße ab. Durch Kontrolle der Größe können daher die Bandlücke und die damit verbundenen optischen Eigenschaften (z.B. Absorption und Fluoreszenz) gezielt beeinflusst werden. Die Herstellung von Halbleiter-Nanokristallen mit wohldefinierter Partikelgröße und -form gelingt mit nasschemischen Methoden (Kolloidchemie). Abb. 2 zeigt ein typisches TEM-Bild von monodispersen CdSe-Nanokristallen, und Abb. 3 illustriert den Größenquantisierungseffekt anhand einer Serie von Lösungen von CdSe-Nanokristallen unterschiedlicher Größe. Die Präparation solcher Halbleiter-Nanokristalle erfolgt zum Teil in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Nanochemie.

Bild

Abb. 2 - Typische TEM-Aufnahme von kolloidchemisch hergestellten CdSe-Nanokristallen.

Bild

Abb. 3 - Kolloidale Lösungen von CdSe-Nanokristallen unterschiedlicher Teilchengröße. Lösungen mit kleinen Nanopartikeln (~2 nm Durchmesser) erscheinen gelb, Lösungen größerer Nanopartikel (~6 nm) hingegen rot. (Die Zeitangaben auf den Probengläsern beziehen sich auf die Wachstumsphase während der Synthese.)

Anwendung von Halbleiter-Nanokristallen in organisch-anorganischen Hybridsolarzellen

Ein Anwendungsgebiet von Halbleiter-Nanokristallen ist deren Verwendung als eine Komponente in Hybridsolarzellen, wo organisch-anorganische Komposite aus den Nanopartikeln und Polymeren als effiziente Lichtabsorber fungieren können. Analog zu rein organischen Solarzellen auf Basis von Polymer/Fulleren-Gemischen stellt auch das Nanopartikel-Polymer-Gemisch ein Donor-Akzeptor-System dar, in welchem photogenerierte Elektron-Loch-Paare effizient getrennt werden können, da bei geeigneter Bandstruktur ein Ladungstransfer von Elektronen zu den Nanopartikeln bzw. von Löchern zum Polymer stattfinden kann. Im Gegensatz zu Fullerenen stellen viele Halbleiter-Nanopartikel jedoch selbst effiziente Absorber im vom Sonnenlicht abgedeckten Spektralbereich dar. Insofern bietet der Hybridansatz ein hohes Potential, um das Sonnenlichtspektrum besser auszunutzen. Insbesondere ergibt sich durch die Kontrolle der Partikelgröße sogar die Möglichkeit, die Absorptionseigenschaften gezielt an das Sonnenlichtspektrum anzupassen. Abb. 4 illustriert schematisch den Ladungstransfer in einem Donor/Akzeptor-System auf der Basis von Halbleiter-Nanopartikeln und Polymeren.

Bild

Abb. 4 - Schematische Darstellung zum Ladungstransfer in hybriden Kompositen aus anorganischen Halbleiter-Nanopartikeln und Polymeren am Beispiel des Systems CdSe/P3HT.

Das Funktionsprinzip von Hybridsolarzellen konnte bereits erfolgreich demonstriert werden. Allerdings liegt der Wirkungsgrad solcher Systeme üblicherweise noch unterhalb von ~3-5%. Im Hinblick auf die Erzielung höherer Effizienz sind gegenwärtige Herausforderungen in diesem noch jungen Forschungsgebiet ein tieferes Verständnis und Verbesserungen elementarer Schritte wie des Ladungstransfers und des Ladungstransports sowie auch die Entwicklung geeigneter  Materialien und Solarzellenarchitekturen. Unsere Arbeitsgruppe ist in diesen Bereichen engagiert.

Neben hybriden Polymer/Nanopartikel-Solarzellen besteht ferner die Möglichkeit, kolloidale Nanokristalle auch zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen mit rein anorganischen Schichten zu nutzen. Derartige Solarzellarchitekturen werden ebenfalls untersucht.

Kolloidal hergestellte Metall-Nanopartikel für Anwendungen in der heterogenen Katalyse

In der heterogenen Katalyse werden Reaktionen gasförmiger Moleküle über einer festen Oberfläche katalysiert, wobei es sich häufig um Metalle handelt, welche fein dispergiert auf einem Trägermaterial vorliegen. Die am weitesten verbreitete Präparationsmethode für trägerfixierte Metallkatalysatoren ist Imprägnierung. Hierbei wird das Trägermaterial in eine Lösung gegeben wird, welche einen molekularen Metall-Prekursor enthält. Anschließend wird der Katalysator getrocknet und optional noch reduziert, z.B. in H2-Atmosphäre, so dass ionische in metallische Spezies konvertiert werden. Derartige Präparationsverfahren erlauben jedoch keine sonderlich hohe Kontrolle über die Struktur der erhaltenen Metall-Partikel. Häufig bleibt sogar unklar, ob sich metallische Nanopartikel bilden oder ob die Metallatome oder -ionen einfach fein verteilt auf der Katalysatoroberfläche vorliegen.

Aus diesen Limitierungen ergibt sich die Frage, ob kolloidchemische Verfahren, welche durch die Verwendung organischer Liganden in der Synthese ein sehr hohes Maß an Strukturkontrolle ermöglichen, zur Präparation von Katalysatoren mit besser definierten Eigenschaften geeignet sind. Prinzipiell sind hier positive Effekte zu erwarten, da Strukturparameter wie z. B. die Partikelgröße und -form oder auch die Zusammensetzung im Falle bimetallischer Katalysatoren in vielen Reaktionen Schlüsselfaktoren zur Kontrolle von Aktivität und Selektivitäten darstellen.

Über eine hochgradige Kontrolle von Partikelgröße und -form hinausgehend eröffnet der kolloidchemische Ansatz gänzlich neue Möglichkeiten, da so auch Katalysatoren hergestellt werden können, bei welchen die Nanopartikel-Oberfläche teilweise von organischen Liganden bedeckt ist. Dies eröffnet neue Perspektiven, Aktivitäten und Selektivitäten durch sterische und elektronische Effekte beeinflussen zu können. Es stellt sich jedoch die fundamentale Frage, ob katalytische Aktivität überhaupt mglich ist, wenn die Oberfläche teilweise von Liganden bedeckt ist. Bei der Katalyse von Reaktionen in kolloidaler Lösung, sogenannter quasi-homogener Katalyse, konnte in etlichen Studien bereits erfolgreich gezeigt werden, dass ligandenstabilisierte Metallnanopartikel eingesetzt werden können. Im Bereich der heterogenen Katalyse sind entsprechende Untersuchungen bei Anwesenheit einer Ligandenhülle hingegen noch sehr rar.

Vor diesem Hintergrund beschäftigen wir uns in Kooperationen mit externen Partnern mit der Erforschung des Anwendungspotentials ligandenstabilisierter Metallnanopartikel in der heterogenen Gasphasenkatalyse. Abb. 5 zeigt hierzu eine beispielhafte TEM-Aufnahme von bimetallischen Pt/Sn-Nanokristallen, sowie IR-Spektren nach Exposition ligandenstabilisierter Pt-Nanopartikel auf einem Siliziumdioxid-Träger zu einem CO-Gasstrom. Das Auftreten einer Bande bei ~2040 cm-1 zeigt die lineare Adsorption von CO auf metallischen Pt-Plätzen an und bezeugt somit, dass kleine Moleküle wie CO die Ligandenhülle durchaus durchdringen und auf freien Adsorptionsplätzen adsorbieren können. Ein Teil der Oberfläche ist also auch bei anwesender Ligandenhülle noch für katalytische Prozesse zugänglich. Unsere gegenwärtige Forschung in diesem Gebiet konzentriert sich auf  die Untersuchung verschiedener Oxidationsreaktionen und Hydrierungen.

Bild

Abb. 5 - (a): TEM-Aufnahme bimetallischer Pt/Sn-Nanokristalle. (b): IR-Spektrum mit Dodecylamin stabilisierter Pt-Nanopartikel auf SiO2 nach Exposition zu ca. 2.5 vol% CO in N2 für einige Minuten. Die Spektren wurden aufgenommen, nachdem der CO-Gasstrom abgeschaltet wurde, so dass von der CO-Gasphase nur noch ein Restsignal übrig ist.

Untersuchungsmethoden

  • Kolloidale Synthese von Nanokristallen (in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Nanochemie)
  • Absoprtions- und Fluoreszenzspektroskopie (UV-Vis, PL)
  • Lichtinduzierte Elektronenspinresonanz (L-ESR)
  • Photoinduzierte Absorptionsspektroskopie (PIA)
  • Ladungsbasierte tiefe Störstellen-Spektroskopie (Q-DLTS)
  • Strom-Spannungs-Kennlinien (auch temperatur- und beleuchtungsabhängig)
  • Externe Quantenausbeute (EQE) 
  • Beweglichkeitsmessungen in organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs)
  • Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD)
  • Elektronenmikroskopie (SEM, TEM, HRTEM)
  • Zyklische Voltammetrie (CV)
Webmaster (Stand: 10.09.2018)