Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 01.02.2010

Höchstwerte bei der Effizienz von Nanopartikel-basierten organischen Solarzellen

Wissenschaftlern vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Universität Freiburg ist es gelungen, eine Behandlungsmethode für die Oberfläche von Nanopartikeln zu entwickeln, die die Effizienz von organischen Solarzellen erheblich steigert. Durch den Einsatz sogenannter Quantum Dots aus Cadmium-Selenid konnten die Forscherinnen und Forscher die bisher höchste Effizienz von 2 Prozent in Hybrid-Solarzellen erzielen, die auch durch Messungen der am FMF angesiedelten Arbeitsgruppe „Farbstoff- und Organische Solarzellen“ des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme bestätigt wurde. Bisherige Werte lagen bei 1-1,8 Prozent. Bei Hybrid-Solarzellen besteht die photoaktive Schicht aus einer Mischung aus anorganischen Nanopartikeln und einem (organischen) Polymer. Die entwickelte Methode ist prinzipiell auf viele Nanopartikel anwendbar und eröffnet weitere Perspektiven zur Effizienzsteigerung dieses Solarzellentyps. Das Verfahren wurde patentiert und die Ergebnisse wurden vor kurzem in einer Ausgabe der renommiertesten Fachzeitschrift für Angewandte Physik, den „Applied Physics Letters“, veröffentlicht.

Organische Solarzellen gehören zur sogenannten dritten Generation von Solarzellen und befinden sich noch im Forschungsstadium. Der Weltrekord für rein organische Solarzellen, bei denen beide Komponenten der photoaktiven Schicht aus organischen Materialien bestehen, liegt zur Zeit bei über 7 Prozent für nasschemisch erzeugte Schichten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen, die hauptsächlich für die großflächige Stromerzeugung eingesetzt werden, weisen sie viele Vorteile auf: Sie sind wesentlich dünner und flexibler. Der entscheidende Vorteil liegt in ihrer kostengünstigen und schnellen Herstellung. Daher eignen sie sich besser für die Integration in Anwendungen und Systeme unseres Alltags mit begrenzter Wirkungsdauer, wie zum Beispiel Sensoren oder elektronische Geräte, um diese energieautark zu betreiben. Der Einsatz von Batterien und Kabeln könnte somit in Zukunft drastisch reduziert werden.

In dem Forscherteam arbeiten Chemiker, Physiker und Ingenieure des IMTEK und des FMF eng zusammen. „Die interdisziplinäre Ausrichtung der Forschungsgruppe war ein absoluter Glücksfall und hat zu einem schnellen Fortschritt innerhalb des Projektes geführt. So konnten wir von der Synthese der Nanopartikel über die Modifikation ihrer Oberfläche bis hin zur Integration in Komposit-Materialien alles aus einer Hand leisten“, sagt Gruppenleiter Dr. Michael Krüger. Seine Arbeitsgruppe „Nanowissenschaften“ ist Teil des Lehrstuhls für Sensoren von Prof. Dr. Gerald Urban am IMTEK. Aufbauend auf den veröffentlichten Ergebnissen arbeitet sein Team – auch im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojekts – daran, die erprobte Methode auf andere vielversprechende Materialsysteme auszuweiten und so auf dem Weg zur Marktreife einen weiteren Schritt zu gehen. Voraussetzungen dafür sind jedoch deutlich bessere Wirkungsgrade als bisher, eine weitere Steigerung der Lebensdauer der Materialien sowie die Reduzierung der Herstellungskosten.

Das Projekt „Quantum Dot Polymer Hybride als photoaktives Material in Solarzellen“ wird innerhalb des IMTEK-Graduiertenkollegs „Micro Energy Harvesting“ durch die Deutsche Forschungsgesellschaft gefördert.

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 10.11.2009

Wenn Löcher die Sicht versperren

Metalle sind bekanntlich undurchsichtig: Sie reflektieren Licht fast vollständig. Deshalb kann man sie auch als Spiegel verwenden. Macht man die Metallschicht sehr dünn, werden die Spiegel halbdurchlässig. Solche Materialien werden beispielsweise als „Spionspiegel“ zur Tarnung von Überwachungs­kameras eingesetzt. Man könnte vermuten, dass Löcher in einer dünnen Metall­schicht die Sicht verbessern würden. Genau das Gegenteil ist der Fall. Wie Physiker der Universität Stuttgart feststellten, können viele winzige Löcher das Metall undurchsichtig machen. Über die Ergebnisse berichtet die aktuelle Ausgabe der Physical Review Letters.

Bereits vor  etwa zehn Jahren entdeckten Physiker ein merkwürdiges Phänomen. Sie bohrten in einen lichtundurchlässigen dicken Metallfilm winzige Löcher, die deutlich kleiner waren als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Nach der klassischen Optik sollte das Licht weiterhin fast vollständig reflektiert werden. Durch die winzigen Löcher ging jedoch viel mehr Licht als erwartet. Diese Ent­deckung löste eine bis heute andauernde Lawine an neuen Untersuchungen aus. Normalerweise können Materialien nicht durchsichtig und elektrisch leitend sein. Die Physiker um Prof. Martin Dressel und Dr. Bruno Gompf vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart versuchten, einen dünnen Metallfilm so mit winzigen Löchern zu perforieren, dass er weiterhin Strom leitet und das Licht ungehindert durchlässt. Ihre Überraschung war groß, als sie genau den umgekehrten Effekt fanden. Perforiert man einen halbdurchlässigen Metallfilm mit einer periodischen Anordnung von winzigen Löchern, geht nicht mehr, sondern deutlich weniger Licht hindurch als zuvor. Und das, obwohl der Film danach fast zur Hälfte aus Löchern besteht. Die zusätzlichen Löcher versperren die Sicht.

Im konkreten Fall untersuchten die Stuttgarter Physiker die Trans­mis­sion durch einen etwa 20 Nanometer (nm) dicken Goldfilm. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter, und die Goldfilme sind damit nur ein paar Dutzend Atome dick. Die Filme wurden mit 200nm großen Löchern per­foriert, die einen regelmäßigen Abstand von 300nm hatten. Solche Schichten lassen sich heute mit üblichen lithographischen Verfahren, wie sie auch in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, großflächig herstellen. Die durch­löcher­ten Filme zeigen im sichtbaren und nahen infraroten Bereich, Frequenzen, bei denen das Licht stark absorbiert wird. Diese zusätzliche Absorption, die man von Metallen normalerweise nicht kennt, ist eine direkte Konsequenz des periodischen Lochmusters und hängt in erster Nähe­rung nur vom Abstand, nicht aber von der Größe der Löcher ab. Die Periodizität erlaubt kollek­tive Anregungen der Metallelektronen, der so genannten Plasmonen. Eine Besonderheit dieser Plasmonen ist, dass ihre Anregung stark vom Einfallswinkel des Lichts abhängt. Dreht man den Film ein wenig, ändert sich die Farbe der Plasmonen. Genau das wurde auch im Experiment beobachtet. In wieweit diese unerwartete optische Eigenschaft von Nanostrukturen gezielt für künftige Anwendungen genutzt werden kann, soll nun intensiv erforscht werden.

Veröffentlichung:
Julia Braun, Bruno Gompf, Georg Kobiela, Martin Dressel: „How holes can obscure the view: Suppressed transmission through an ultrathin metal film by a subwavelength hole array.“ Physical Review Letters, 103, 203901 (2009)

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 13.10.2009

Schnellste Informationsübertragung – Anwendungen auch in Mikrobiologie, Photovoltaik und Sensorik

Mehr als 120 Jahre nach der Entdeckung der elektromagnetischen Natur der Funkwellen durch Heinrich Hertz beherrscht die drahtlose Datenübertragung die Informationstechnologie. Um immer mehr Daten in kürzerer Zeit zu übertragen, kommen immer höhere Funkfrequenzen zum Einsatz. Vor einigen Jahren fanden Wissenschaftler heraus, dass man auch mit Lichtwellen funken kann. Die Herstellung der winzigen Antennen war aber bislang äußerst aufwendig. KIT-Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, kleinste optische Nanoantennen aus Gold gezielt und reproduzierbar anzufertigen.

1887 entdeckte Heinrich Hertz an der damaligen Technischen Hochschule Karlsruhe, der Vorgängerin der Universität Karlsruhe, die elektromagnetischen Wellen. Die gezielte und gerichtete Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ermöglicht es, Informationen von einem Standort A zu einem räumlich entfernten Standort B zu übertragen. Die Schlüsselposition bei diesem Transfer nimmt dabei eine Dipolantenne auf der Sendeseite wie auch auf der Empfangsseite ein. Diese Technik hat sich heute in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens, beispielsweise beim Mobilfunk oder beim Satellitenempfang von Fernsehprogrammen, durchgesetzt. Sende- und Empfangsseite kommunizieren dann besonders effizient, wenn die Dipolantennen-Gesamtlänge ungefähr der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle entspricht.

Um nun mit den besonders hochfrequenten elektromagnetischen Lichtwellen im Frequenzbereich bei mehreren 100 000 Gigahertz funken zu können (500 000 GHz entsprechen gelbem Licht von 600 nm Wellenlänge), benötigt man winzig kleine Antennen, die nicht größer sind als eine halbe Lichtwellenlänge, also maximal 350 Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Die kontrollierte Herstellung solcher optischer Funkantennen im Nanomaßstab war weltweit ein bisher sehr schwieriges Problem, weil optische Belichtungsverfahren so kleine Strukturen aus physikalischen Gründen nicht ohne weiteres erzeugen können – wegen der Wellennatur des Lichtes. Um dennoch bei ihren Goldantennen, die kleiner sind als 100 Nanometer, die nötige Präzision zu erreichen, nutzten die Wissenschaftler der DFG-Heisenberg-Gruppe „Nanoscale Science“ am Lichttechnischen Institut des KIT ein Elektronenstrahlverfahren, die so genannte Elektronenstrahllithografie. Die Ergebnisse wurden nun im Journal Nanotechnology (Nanotechnology 20 (2009) 425203) veröffentlicht.

Die Antennen aus Gold wirken physikalisch wie Radioantennen, wobei Radioantennen etwa 10 Millionen Mal so groß sind, also etwa 1 Meter lang. Die empfangene Frequenz ist bei den Nanoantennen entsprechend 1 Million Mal höher als die Radiofrequenz, also nicht 100 Megahertz, sondern mehrere 100 000 Gigahertz.

Diese Nanoantennen können nun Daten mit extremer Datenrate übertragen, weil die hohe Frequenz der Wellen die extrem schnelle Modulation des Signals erlaubt. Für die Zukunft des drahtlosen Datenverkehrs bedeutet dies eine Beschleunigung auf das 10.000-fache der heutigen Datenrate bei zugleich reduziertem Energieverbrauch. Sie bilden somit eine wichtige Grundlage für neue optische Highspeed-Datennetze. Der positive Nebeneffekt: Licht im Bereich von 1000 bis 400 Nanometer ist für Menschen, Tiere und Pflanzen unschädlich.

Die Nano-Antennen aus Karlsuhe lassen sich in Zukunft aber nicht nur für die Informationsübertragung, sondern auch als Werkzeug für die optische Mikroskopie einsetzen: „Mit Hilfe dieser winzig kleinen Nano-Lichtstrahler können wir Untersuchungen an einzelnen Biomolekülen durchführen, wie es bisher nicht möglich war“, so Dr. Hans-Jürgen Eisler, der die Arbeitsgruppe am Lichttechnischen Institut leitet. Daneben können die Nanoantennen als neues Werkzeug zur Charakterisierung von Nanostrukturen aus Halbleitern, Sensorstrukturen und integrierten Schaltkreisen besser eingesetzt werden. Möglich wird dies, da Nanoantennen Licht effizient einfangen können. Damit werden Nanoantennen wiederum zu Lichtquellen und strahlen ihrerseits Lichtquanten (Photonen) ab.

Die Wissenschaftler am LTI arbeiten derzeit auch daran, gezielt und effizient sichtbares Licht mit diesen Antennen einzufangen und auf wenige 10 Nanometer zu lokalisieren, um damit beispielsweise Photovoltaikmodule zu optimieren. (lg)

Externer Link: www.kit.edu

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.09.2009

Karlsruher untersuchen, wie Biomoleküle mit Nanopartikeln wechselwirken

Wie sich Nanopartikel im Körper verhalten, hängt nicht nur von ihrem chemischen Aufbau ab. Entscheidend ist, wie sie mit biologischen Molekülen wechselwirken. Professor Gerd Ulrich Nienhaus vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat neue Methoden entwickelt, mit der sich dieser dynamische Prozess quantitativ erfassen lässt. (Nature Nanotechnology 4, 577 (2009))

Gelangt ein Nanopartikel ins Blut, wird er umgehend von einer dünnen Schicht aus Biomolekülen umhüllt. Diese als Proteinkorona bezeichnete biologische Oberflächenbeschichtung bestimmt maßgeblich, ob er einfach ausgeschieden wird oder ins Innere einer Körperzelle gelangen kann. „Nanopartikel, die fälschlicherweise in den Körper eindringen, möchte man schnell wieder loswerden. Wenn sie aber zum Beispiel therapeutisch eingesetzt werden, sollen sie von bestimmten Zelltypen gezielt aufgenommen werden. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, wie körpereigene Moleküle an Nanopartikeln anbinden, denn über die Biomolekül-Schicht tritt ein Nanopartikel mit der Zelloberfläche in Kontakt“, erläutert Nienhaus, der vor kurzem von der Universität Ulm an das Centrum für Funktionelle Nanostrukturen des KIT gewechselt hat. Seine in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Untersuchungsmethoden erlauben es, diese Fragen experimentell anzugehen.

Als Modellprotein wählte der Biophysiker Serumalbumin, ein wichtiges Blutprotein. Wenn es sich auf der Oberfläche eines Nanopartikels anlagert, nimmt dessen Durchmesser zu. In einer wässrigen Lösung bewegen sich Nanopartikel ständig. Diese Diffusionsbewegung wird bei zunehmender Partikelgröße langsamer. Um zu bestimmen, wie dick die Proteinschicht auf einem Nanopartikel ist, ermitteln Nienhaus und sein Team deshalb die Zeit, mit der sich der Partikel durch ein winziges Volumen Flüssigkeit bewegt.

Die Nanopartikel werden so hergestellt, dass sie Fluoreszenzlicht aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Daher kann man sie trotz ihres geringen Durchmessers von nur sechs bis acht Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) beobachten. Passiert ein Partikel in einem speziell entwickelten Mikroskop ein extrem kleines Flüssigkeitsvolumen in der Untersuchungskammer, wird es dort von einem Laserstrahl getroffen und sendet für einen Sekundenbruchteil Licht aus. Die Länge des Lichtblitzes kann präzise gemessen werden. Ist der Blitz kurz, bewegt sich der Partikel schnell, ist er lang, bewegt er sich langsam, was auf einen größeren Durchmesser schließen lässt. „Da wir wissen, wie groß ein Albuminmolekül ist, lässt sich daraus mit bekannten Formeln der Physik die Gesamt-Partikelgröße berechnen. Demnach ist die Proteinschicht auf einem Nanopartikel nur eine Moleküllage dick“, fasst Nienhaus die Ergebnisse zusammen.

Aber wie schnell wird diese Hülle aufgebaut, und wie stabil ist sie? Zur Beantwortung dieser Frage markieren die Forscher die Proteine mit einem Farbstoff, der die Fluoreszenz des Nanopartikels abschwächt. Wenn die so behandelten Proteinmoleküle an einen Partikel binden, verringert sich dessen Leuchtintensität. Die Messdaten zeigen, dass ein Serumalbuminmolekül im Durchschnitt etwa 100 Sekunden auf der Partikeloberfläche haftet, bis es sich wieder ablöst und durch ein anderes ersetzt wird.

Nienhaus und sein Team wollen jetzt weitere Kombinationen von unterschiedlichen Biomolekülen und Nanopartikeln untersuchen. Auch Versuche an Zellkulturen werden durchgeführt um zu sehen, wie Zellen auf die umhüllten Nanopartikel reagieren. Die methodische Entwicklung des Karlsruhers eröffnet neue Messmöglichkeiten, die auch bei der Risikobewertung von Nanopartikeln wichtig sind – ein Punkt, den auch ein Beitrag über die Forschungsarbeit von Nienhaus und Mitarbeitern in „News and Views“ in Nature Nanotechnology unterstreicht. (gk)

Literatur:

A quantitative fluorescence study of protein monolayer formation on colloidal nanoparticles. Carlheinz Röcker, Matthias Pötzl, Feng Zhang, Wolfgang J. Parak and G. Ulrich Nienhaus. Nature Nanotechnology 4, 577 (2009).

What does the cell see? Iseult Lynch, Anna Salvati and Kenneth A. Dawson. (News & Views) Nature Nanotechnology 4, 546 (2009).

Externer Link: www.kit.edu

Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 15.09.2009

Neues Nano-Material eignet sich speziell für Brennstoffzellen

Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die bekanntesten unter den röhrenförmigen Zwergen, haben Konkurrenz bekommen. Mit ihren halbleitenden Eigenschaften wecken Schichten aus Titandioxidröhrchen bereits seit einigen Jahren Interesse, da sie beispielsweise für den Einsatz in der Bio- oder der Solarzellentechnik besonders geeignet sind. Nun können sie eine neue Qualität erwerben, die ihnen bisher fehlte: eine elektrische Leitfähigkeit, die der von Metallen gleicht. Ein Team der Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität Turku in Finnland borgt dazu die Leitfähigkeit, die Kohlenstoff mitbringt, und baut sie in die Titanverbindung ein. Die Röhrenstruktur bleibt dabei, wie Prof. Dr. Patrik Schmuki vom Erlanger Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik erläutert, nahezu unverändert.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie (doi: 10.1002/anie.20902207) berichtet Schmukis Mitarbeiter Robert Hahn, dass die Verwandlung von halbleitenden zum leitenden Material mittels eines relativ einfachen Verfahrens möglich ist. Die Titandioxid-Nanoröhrchen lassen sich zu einer kohlenstoffhaltigen Titan-Oxycarbid-Verbindung umsetzen. Dazu behandeln die Forscher sie bei 850°C mit Acetylen. Dieser Prozess wird, da eine kohlenstoffreiche Verbindung entsteht, als Carbonisierung bezeichnet. „Es handelt sich aber nicht einfach um eine Dotierung von Titandioxid mit Kohlenstoff­atomen,“ stellt Schmuki klar. „Auch wenn die geordnete Röhrenstruktur kaum verändert wird, entsteht doch eine neue chemische Verbindung. Dieses Titan-Oxycarbid kann als eine feste Mischung aus Titancarbid und verschiedenen Titanoxiden interpretiert werden.“

700 Prozent besser

Das Carbonisieren schafft einen neuartigen Werkstoff mit halbmetallischen Eigenschaften, der zudem deutlich härter ist als die Ausgangsverbindung. Seine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie günstige elektrochemische Charakteristika machen ihn zu einem interessanten neuen Elektrodenmaterial. Besonders attraktiv erscheint der Einsatz in Methanol-Brennstoffzellen, deren Leistungsfähigkeit drastisch erhöht werden könnte: Auf 700 Prozent schätzt Prof. Schmuki die Steigerung der Aktivität des Katalysators für die Methanol-Oxidation. „Als Alternative für Kohlenstoff als übliches Trägermaterial an katalytischen Elektroden sind Titandioxid-Nanoröhrchen schon seit längerem im Gespräch,“ so Schmuki. „Aber unser neues leitfähiges Oxycarbid schlägt dies um Längen.“

Externer Link: www.uni-erlangen.de