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Selbstassemblierendes Nanomaterial öffnet Weg zu effizienterem und kostengünstigerem Solarstrom

28.01.2019

Andrew Levine

In dieser Abbildung kommen DPP- und Rylen-Farbstoffmoleküle zusammen, um eine selbsttragende Suprastruktur zu bilden. Elektronen innerhalb der Struktur absorbieren und werden durch Lichtphotonen angeregt, und koppeln dann mit benachbarten Elektronen, um Energie zu teilen und zusätzliche angeregte Elektronen zu erzeugen, die zur Herstellung von Solarzellen gewonnen werden können.

Sonnenstrahlen sind eine reichlich vorhandene, saubere Energiequelle, die immer wichtiger wird, da die Welt daran arbeitet, sich von Energiequellen zu entfernen, die zur globalen Erwärmung beitragen. Aber die derzeitigen Methoden zur Gewinnung von Solarenergie sind teuer und ineffizient - mit einer theoretischen Effizienzgrenze von 33 Prozent. Neue Nanomaterialien, die von Forschern des Advanced Science Research Center (ASRC) des Graduate Center der City University of New York (CUNY) entwickelt wurden, könnten einen Weg zu einer effizienteren und potenziell erschwinglichen Nutzung der Sonnenenergie ebnen.

Die Materialien, die von Wissenschaftlern mit der Nanowissenschaftsinitiative der ASRC entwickelt wurden, verwenden einen Prozess namens Singulett-Spaltung, um die Lebensdauer erntefähiger, lichterzeugter Elektronen zu produzieren und zu verlängern. Frühe Forschungen deuten darauf hin, dass diese Materialien nützlichere Ladungen erzeugen und den theoretischen Wirkungsgrad von Solarzellen um bis zu 44 Prozent erhöhen könnten.

"Wir haben einige der Moleküle in gängigen industriellen Farbstoffen modifiziert, um selbst zusammensetzbare Materialien zu schaffen, die eine höhere Ausbeute an erntbaren Elektronen ermöglichen und die Lebensdauer der Elektronen verlängern, wodurch wir mehr Zeit haben, sie in einer Solarzelle zu sammeln", sagte Andrew Levine, Hauptautor der Arbeit und Doktorand am Graduate Center.

Der Selbstmontageprozess, so Levine, veranlasst die Farbstoffmoleküle, sich auf eine bestimmte Weise zu stapeln. Diese Stapelung ermöglicht es Farbstoffen, die Solar-Photonen absorbiert haben, sich zu koppeln und Energie mit benachbarten Farbstoffen zu teilen - oder sie "anzuregen". Die Elektronen in diesen Farbstoffen entkoppeln sich dann, so dass sie als nutzbare Sonnenenergie gesammelt werden können.
Methodik und Ergebnisse

Zur Entwicklung der Materialien kombinierten die Forscher verschiedene Versionen von zwei häufig verwendeten Industriefarbstoffen - Diketopyrrolopyrrolopyrrol (DPP) und Rylen. Daraus entstanden sechs selbstorganisierende Suprastrukturen, die von Wissenschaftlern mit Hilfe der Elektronenmikroskopie und der fortgeschrittenen Spektroskopie untersucht wurden. Sie fanden heraus, dass jede Kombination subtile Unterschiede in der Geometrie aufweist, die sich auf die angeregten Zustände der Farbstoffe, das Auftreten der Singulett-Spaltung sowie den Ertrag und die Lebensdauer der erntbaren Elektronen auswirken. Bedeutung

"Diese Arbeit stellt uns eine Bibliothek von Nanomaterialien zur Verfügung, die wir zur Nutzung der Sonnenenergie untersuchen können", sagte Professor Adam Braunschweig, leitender Studienforscher und außerordentlicher Professor bei der ASRC Nanoscience Initiative und den Chemischen Abteilungen am Hunter College und The Graduate Center. "Unser Verfahren zur Kombination der Farbstoffe zu funktionellen Materialien mit Hilfe der Selbstmontage ermöglicht es uns, ihre Eigenschaften sorgfältig abzustimmen und die Effizienz des kritischen Lichternteprozesses zu erhöhen."

Die Fähigkeit der Materialien zur Selbstmontage könnte auch die Zeit für die Herstellung kommerziell nutzbarer Solarzellen verkürzen, so die Forscher, und sich als erschwinglicher erweisen als die derzeitigen Herstellungsverfahren, die auf den zeitaufwändigen Prozess der molekularen Synthese angewiesen sind.

Die nächste Herausforderung für das Forschungsteam besteht darin, eine Methode zur Gewinnung der durch die neuen Nanomaterialien erzeugten Solarladungen zu entwickeln. Derzeit arbeiten sie daran, ein Ethylenmolekül zu entwickeln, das das Elektron aus dem DPP-Molekül nach dem Singulett-Spaltungsprozess aufnehmen kann. Im Erfolgsfall würden diese Materialien sowohl den Singlet-Spaltungsprozess einleiten als auch den Ladungstransfer in eine Solarzelle erleichtern.

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