Photovoltaik: KIT formt neuartige Solarzelle aus Molekülgerüsten

Karlsruhe - Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein neuartiges Material entwickelt, das sich für die Photovoltaik eignet. Zum ersten Mal haben sie aus metall-organischen Gerüstverbindungen (MOF) eine funktionsfähige, aus einer einzelnen Komponente bestehende organische Solarzelle hergestellt.

Das Material ist hoch-elastisch und könnte auch als flexible Beschichtung von Kleidung und verformbaren Bauteilen genutzt werden. Professor Christof Wöll, Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT ist begeistert: "Wir haben die Tür zu einem neuen Raum geöffnet."

MOF-Moleküle im Fokus: Zukünftige Entwicklung vielversprechend
Die Fachzeitschrift Angewandte Chemie widmet diesem Erfolg der Karlsruher Forscher sogar die Titelseite, teilte das KIT mit. Der Physiker Wöll erklärte weiter: „Diese neu erschlossene Anwendung von metall-organischen Gerüstverbindungen ist erst der Anfang, das Ende dieser Entwicklung wird noch lange nicht erreicht sein.“
Metallorganische Verbindungen (eng. Metal-Organic Framework, kurz MOF) bestehen aus zwei Grundelementen, metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen. Diese werden wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt. Die MOFs genießen seit gut einem Jahrzehnt besonderes Forschungsinteresse, weil sich ihre Funktionalität durch Variation der Bausteine anpassen lässt. „So ist es möglich, eine Vielzahl von Eigenschaften des Materials zu ändern“, erläutert Wöll. Es wurden bereits mehr als 20.000 verschiedene MOF-Typen entwickelt, meist eingesetzt für die Speicherung oder Trennung von Gasen.

Porphyrine wandeln Licht in chemische Energie
Die Wissenschaftlergruppe unter Federführung des KIT hat jetzt MOFs hergestellt, bei denen Porphyrine als Baustein eingesetzt werden. Diese porphyrin-basierten MOFs haben laut KIT hochinteressante photophysikalische Eigenschaften: Neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern werde eine hohe Ladungsträger-Beweglichkeit beobachtet. Zudem sorgt höchstwahrscheinlich die Ausbildung indirekter Bandlücken für die „sehr guten Eigenschaften der Solarzelle“. Bandlücken spielen in der Photovoltaik eine wichtige Rolle. Die Natur setzt Porphyrine als Universal-Moleküle unter anderem im Blutfarbstoff sowie im Chlorophyll ein, wo diese organischen Farbstoffe Licht in chemische Energie umwandeln. Eine mit dem neuartigen Porphyrin-MOF hergestellte, metall-organische Solarzelle stellen die Forscher nun in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie vor.

Solarzelle braucht nur ein Molekül
„Wir kommen in der Solarzelle mit nur einem einzigen organischen Molekül aus, das ist der Clou“, betont Wöll. Die Forscher erwarten, die photovoltaische Leistung des Materials künftig erheblich steigern zu können, indem sie die Poren innerhalb der kristallinen Gitterstruktur mit Molekülen füllen, die elektrische Ladungen abgeben und aufnehmen können.
Durch ein am KIT entwickeltes Verfahren wachsen die kristallinen Gerüste lagenweise auf einer transparenten, leitfähigen Trägeroberfläche und bilden eine homogene Dünnschicht, sogenannte SURMOFs. „Das SURMOF-Verfahren eignet sich prinzipiell für einen kontinuierlichen Herstellungsprozess und erlaubt prinzipiell auch die Beschichtung größerer Kunststoff-Trägerflächen“, so Wöll.