Machen Nanoröhren Farbstoffzellen wirkungsvoller?
1,25 Millionen Euro Förderung bekam kürzlich der Werkstoffwissenschafts-Lehrstuhl „Korrosion und Oberflächentechnik“ an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Erlangen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. Davon dürften auch Farbstoffsolarzellen („Graetzel-Zellen“) einen Schub bekommen. Das „Koselleck-Programm“ der DFG unterstützt „besonders innovative und im positiven Sinn risikobehaftete Forschungsvorhaben“. Wie zum Beispiel jenes mit den Nanoröhren aus Titan-Dioxid: Mit denen beschäftigt sich Patrik Schmuki seit Jahren.
Die bisherigen hochgeordneten TiO2 Nanoröhrenschichten (im Rasterelektronenmikroskop), Foto: Lehrstuhl Werkstoffwissenschaften „Korrossion und Oberflächentechnik“ (LKO) der Uni Erlangen-Nürnberg
Das Team um den Schweizer Professor, der in Erlangen forscht, will mit Nanoröhren aus Titan-Dioxid (TiO2) die Trennung und den Transport von Ladungsträgern in „Solarzellen mit Flüssigelektrolyten“ beschleunigen. Das ist für die Effektivität jener auch als Graetzel-Zellen bekannten Stromerzeuger wichtig: Diese sind nach dem Deutschen Michael Graetzel benannt, welcher an der Technik-Hochschule von Lausanne in der Schweiz forscht. Auch „Blättgrün-“ oder „Titandioxid-Zellen“ werden jene Solarzellen genannt, die Prof. Graetzel erstmals vor fast zwei Jahrzehnten entwickelt hat. Deren Problem: Die Langzeitstabilität. Doch deren Vorteil: Selbst großflächige Fenster in Wohn- oder Geschäftshäusern könnten dadurch zur Solarstromproduktion genutzt werden.
Das Prinzip: Trifft Licht auf den Halbleiter TiO2, entstehen Elektron-Loch-Paare – Elektronen lösen sich also. Wenn diese Ladungsträger an umgebendes Wasser (deshalb „Solarzellen mit Flüssigelektrolyt“!) abgegeben werden, kommt es zu einer „Photokatalytischen Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff. Ein alter Chemiker-Traum, weil damit die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in den Brennstoff der Zukunft erreicht werden kann: Wasserstoff“, erklärt Prof. Schmuki. Er gibt zu: „Die Effizienz muss besser werden!“ Doch in seinen „Nanoröhren mit eingebauten p-n Übergängen ist der Ladungstransport besonders schnell – so wenigstens in der Theorie. Aber wir werden es bald wissen!“, ist der Wissenschaftler sicher. Fünf Jahre hat Schmuki Zeit für seine Koselleck-geförderten Forschungen. „Eine riesige Erleichterung“ bedeute die Summe für seinen Lehrstuhl. Denn immerhin entspreche sie „5 bis 10 erfolgreichen, normalen DFG-Anträgen. Wir können unseren Einsatz damit fast verdoppeln.“
Natürlich arbeitet Schmuki auch mit den anderen Kapazitäten für Organik-Solarzellen zusammen, die in Nordbayern aktiv sind. Einer ist der Österreicher Prof. Christoph Brabec, der ebenfalls in Erlangen einen Werkstoffwissenschaftslehrstuhl leitet (NN-Campus berichtete). Die (im Elektronenmikroskop aufgenommenen) Nanoröhren bestehen aus TiO2 plus Wolfram-Oxid, welches die Ladungsträgertrennung nochmals beschleunigt: Und es stabilisiert die etwa 100 Mikrometer (µm) langen Röhren im Durchmesser von 10 bis 200 Nanometern (nm). Die „Wandstärken sind nur wenige Nanometer. Wir haben schon fünf Jahre daran gearbeitet“, erklärt Schmuki. Und genau „diese Risikobereitschaft belohnt das Förderinstrument Koselleck“, für das „ein kurzes Proposal reicht. Die Hoffnung ist, dass fundamental Neues geschafft wird“ – auch bei ihm.
Info:
Prof. Dr. Patrik Schmuki
Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl Werkstoffwissenschaften
„Korrosion und Oberflächentechnik“
Heinz Wraneschitz
