08.06.11 Länge der Thiophenringketten beinflusst die Lichtabsorptionseigenschaften von Naphthalin-Diimid-Molekülen

Wegweisend für leistungsstarke Solarzellen

Hochpräzise Berechnungen molekularer Lichtabsorptionen

Unter dem Stichwort "Light Harvesting" ("Lichternte") hat sich weltweit eine Forschungsrichtung etabliert, die Physik, Chemie und Materialwissenschaften miteinander verbindet. Sie zielt auf innovative Systeme der Stromerzeugung, die nach dem Vorbild der pflanzlichen Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. In diesem Zusammenhang interessiert sich die Forschung für neue kostengünstige Materialien, welche die Effizienz von Solarzellen erheblich steigern können. Hierfür hat jetzt ein Forschungsteam der Universität Bayreuth, in Kooperation mit dem Fritz-Haber-Zentrum an der Hebräischen Universität Jerusalem, wegweisende Berechnungen vorgelegt.

Abb. 1: Struktur der studierten Naphthalin-Diimid-Moleküle (NDI). Obere Grafik, rechts: „x“ steht für die Seitenarme, die sich aus unterschiedlich langen Ketten aus Thiophenringen zusammensetzen. Bei NDI-1 besteht ein Seitenarm nur aus einem Thiophenring; bei NDI-5 aus 5 verketteten Ringen.
Quelle: Prof. Dr. Stephan Kümmel, Universität Bayreuth

Die Herausforderung: Funktionsmaterialien mit möglichst breiter Lichtabsorption

Materialien, die einen viel größeren Anteil des einfallenden Sonnenlichts aufnehmen können als die in der Photovoltaik bisher üblichen Baustoffe, sind ein wichtiger Beitrag zu leistungsstärkeren Solarzellen. Nun setzt sich das Sonnenlicht aber aus Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammen. Diese werden bei einer Lichtbeugung, z.B. in einem Regenbogen, als farbige Abschnitte eines Spektrums sichtbar. Die angestrebten Materialien sollen folglich in der Lage sein, das Sonnenlicht möglichst lückenlos aufzunehmen, d.h. Lichtenergie aus möglichst vielen Abschnitten des Spektrums zu absorbieren.

An der gezielten Erforschung solcher Materialien arbeitet ein Bayreuther Forschungsteam um Professor Mukundan Thelakkat (Polymerwissenschaft), der das EU-Forschungsprojekt LARGECELLS leitet. Hier geht es insbesondere darum, polymere Funktionsmaterialien für organische Photovoltaikzellen zu entwickeln; d.h. für neuartige Solarzellen, die sich mit einem viel geringeren Energie- und Kostenaufwand herstellen lassen als rein anorganische Photovoltaikzellen aus Silizium.

In aktuellen Forschungsarbeiten verdichteten sich die Indizien, dass eine bestimmte Gruppe von Molekülen zu einer ungewöhnlich breiten Lichtabsorption fähig sein könnte. Der zentrale Baustein dieser Moleküle ist Naphthalin-Diimid (NDI); an zwei Stellen des NDI sind Thiophenringe angehängt. Die Moleküle, die das Interesse der Bayreuther Forscher geweckt haben, unterscheiden sich allein durch die Anzahl der Ringe, die – wie zwei Arme – links und rechts an das NDI angehängt werden: Verhält es sich tatsächlich so, dass die verschiedenen NDI-Moleküle Lichtenergie aus jeweils verschiedenen Abschnitten des Spektrums absorbieren? Ist daher eine Mischung von NDI-Molekülen zu einer breiten Absorption des Sonnenlichts fähig?

Abb. 2: Beispiel eines durch Thiophenringe modifizierten NDI-Moleküls: Von den Thiophenringen, die an den Außenseiten hängen, wird elektrische Ladung in den NDI-Kern geleitet.
Quelle: Prof. Dr. Stephan Kümmel, Universität Bayreuth

Computersimulationen: Ein effizienter Wegweiser zu einer neuen Solarzellen-Generation

Diese Hypothese im Labor zu überprüfen, ist außerordentlich zeitaufwändig. Professor Stephan Kümmel, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Theoretische Physik IV innehat, und sein Mitarbeiter Dipl.-Phys. Andreas Karolewski fanden jedoch einen Ausweg. Es gelang ihnen, die empirischen Laborversuche durch theoretische Berechnungen am Computer zu ersetzen. Mithilfe von Computersimulationen konnten sie nachweisen, dass modifizierte NDI-Moleküle Licht verschiedener Wellenlängen aufnehmen; je nachdem, wie viele Thiophenringe ihnen angehängt sind. Mehr noch: Eine Mischung aus NDI-Molekülen, denen beidseitig bis zu sieben Thiophenringe angehängt sind, kann Lichtenergie aus fast allen Abschnitten des Sonnenlicht-Spektrums absorbieren; bis hin zu den energiearmen langwelligen Lichtstrahlen. Entscheidend ist dabei der Aufbau der NDI-Moleküle. Von den Thiophenringen, die wie zwei Arme an den Außenseiten hängen, wird elektrische Ladung in den NDI-Kern geleitet. Physikalisch gesprochen: Die Thiophenringe fungieren als Donor, der NDI-Kern als Rezeptor.

Erste Laborversuche der Bayreuther Polymerwissenschaftler haben die Berechnungen bestätigt. Damit eröffnet sich eine hochinteressante Perspektive für eine neue Generation von Solarzellen. Denn eine Mischung aus NDI-Molekülen, die sich nur durch die Zahl der Thiophenringe unterscheiden, lässt sich im Industriemaßstab außerordentlich kostengünstig herstellen. Allerdings müssen zuvor weitere Aspekte geklärt werden, z.B. die Frage, wie die in dem neuen Material absorbierten hohen Energiemengen am effizientesten in Solarstrom umgesetzt werden.

Quelle:

Tailoring the optical gap in light-harvesting molecules
A. Karolewski, et. al., J. Chem. Phys. 2011. DOI: 10.1063/1.3581788

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Länge der Thiophenringketten beinflusst die Lichtabsorptionseigenschaften von Naphthalin-Diimid-Molekülen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/jun/solarzellen.shtm)

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