KIT-Forscher bauen Solarzelle aus nur einem einzigen organischen Molekül

Metallorganische Verbindungen (kurz: MOFs) bestehen aus zwei Grundelementen, metallischen Knotenpunkten und organischen Molekülen, die wie Bausteine zu mikroporösen, kristallinen Materialien zusammengesetzt werden. Die MOFs genießen seit gut einem Jahrzehnt besonderes Forschungsinteresse, weil sich ihre Funktionalität durch Variation der Bausteine anpassen lässt. So sei es laut KIT-Forschern möglich, eine Vielzahl von Eigenschaften des Materials zu ändern: Es wurden bereits mehr als 20.000 verschiedene MOF-Typen entwickelt, meist eingesetzt für die Speicherung oder Trennung von Gasen.

Die Wissenschaftlergruppe unter Federführung des KIT hat jetzt MOFs hergestellt, bei denen Porphyrine als Baustein eingesetzt werden. Diese porphyrin-basierten MOFs haben hochinteressante photophysikalische Eigenschaften: Neben einer hohen Effizienz in der Erzeugung von Ladungsträgern wird eine hohe Ladungsträger-Beweglichkeit beobachtet. Rechnungen, die von der am Projekt beteiligten Gruppe um Professor Thomas Heine von der Jacobs University Bremen durchgeführt wurden, legen es nahe, dass die sehr guten Eigenschaften der Solarzelle auf der Ausbildung indirekter Bandlücken basieren, der für die Photovoltaik eine wichtige Rolle spielt.

Der Clou dieser Entdeckung ist, dass die KIT-Forscher mit nur einem einzigen organischen Molekül eine Solarzelle bauen können. 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 auf 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. Durch ihre mechanischen Eigenschaften ließen sich die nur wenige 100 Nanometer dicken MOF-Dünnschichten für flexible Solarzellen nutzen, etwa zum Beschichten von Fassaden-Bauteilen mit Photovoltaik oder auch Kleiderstoffen.