Goldhäubchen für hochverzweigte Nanopartikel: Enden eines stark verzweigten Geflechts aus Cadmium-Tellurid erhalten Goldspitzen

Perspektiven für die Entwicklung billiger Solarzellen

19.02.2008

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, ein stark verzweigtes Geflecht von Nanopartikeln mit Goldspitzen zu versehen und dem Geflecht dadurch einen elektrischen Kontakt aufzupfropfen. Die Verbindung des verästelten Nano-Knäuels mit einem metallischen Leiter kann für die Entwicklung von neuen elektronischen oder optischen Materialien von Bedeutung sein, insbesondere aber für die Herstellung effizienterer Solarzellen. Die Forschungen am Institut für Physikalische Chemie wurden unter dem Titel "Growth of Gold Tips onto Hyperbranched CdTe Nanostructures" in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht und von Nature als 'Research Highlight' herausgestellt.

Dipl. Chem. Yuriy Khalavka, Matcor-Stipendiat aus der Ukraine, und Prof. Dr. Carsten Sönnichsen, Leiter einer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Physikalische Chemie, haben zunächst Kristalle aus Cadmium-Tellurid (CdTe) gezüchtet, die sich in ein feines Geflecht stark verzweigen. Das Knäuel aus den nur 8 Nanometer dicken Filamenten - das ist nur so breit wie wenige Dutzend Atome - ist relativ stabil und weist eine große Oberfläche auf, sodass es mit anderen, organischen Substanzen eine Verbindung eingehen könnte. "Die Idee, die dahinter steckt, ist, auf diesem Weg vielleicht einmal Solarzellen aus Kunststoffen herzustellen", erläutert Sönnichsen. "Es gibt viele organische Farbstoffe, die das Licht gut absorbieren und in das Knäuel eingebaut werden könnten. Die Energie müsste dann nur noch abtransportiert werden." Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die aus hochreinen Ausgangsmaterialien in aufwändigen Vakuum-Beschichtungsanlagen hergestellt werden, könnte man so eine organisch/anorganische Hybrid-Solarzelle wie eine Plastikfolie durch Gießen und Walzen herstellen.

Hier setzen die Forschungen der beiden Naturwissenschaftler ein: Um die gewonnene Energie weiterzugeben, müsste der Cadmium-Tellurid-Halbleiter mit einem Kontakt versehen werden. Khalavka und Sönnichsen haben dazu ein Goldsalz verwendet und versucht, es nur auf die Spitzen des CdTe-Knäuels aufzuwachsen. "Wir mussten dabei sehr vorsichtig vorgehen, damit wir einen schönen Goldkristall bekommen und nicht alles voller Gold ist. Dieser Optimierungsprozess ist uns jetzt gelungen", so Sönnichsen. Als wichtigster Parameter hat sich dabei die Wahl des geeigneten Lösungsmittels erwiesen.

Cadmium-Tellurid wird heute schon in Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt und gilt wegen der vergleichsweise geringen Kosten als vielversprechende Alternative zum herkömmlichen Silizium. Sönnichsen hat mit Cadmium-Tellurid vor drei Jahren als Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA einen Durchbruch erzielt, als es gelungen ist, hochverzweigte CdTe-Halbleiternanokristalle in einer kontrollierten Synthese zu züchten. Die Länge der Arme und das Ausmaß der Verzweigung konnten dabei unabhängig voneinander gesteuert werden. Sönnichsen ist seit Anfang 2005 Juniorprofessor am Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter einer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe. Als Stipendiat der Graduiertenschule Matcor - Teil der im Bundesexzellenzwettbewerb erfolgreichen Graduiertenschule "Materials Science in Mainz (MAINZ)" - ist Khalavka seit Oktober 2006 Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Sönnichsen.