Studienpreis für Solarzellen aus Biomasse

FAU-Chemiker erforscht den Einsatz von Nanopartikeln aus Kohlenstoff in der Elektronik

Computerchips, Batterien oder Solarzellen kostengünstig aus biologischen Materialien herzustellen – diesem Ziel sind Chemiker der FAU einen wichtigen Schritt näher gekommen: Im Rahmen seiner Promotion hat Volker Strauss die Eigenschaften neuartiger Kohlenstoffnanopartikel erforscht und ihre Anwendbarkeit in elektronischen Bauteilen gezeigt. Die Doktorarbeit wurde jetzt mit dem Deutschen Studienpreis der Körber-Stiftung ausgezeichnet.

Elektronische Bauteile sind in den vergangenen Jahren immer leistungsfähiger geworden, doch sie haben einen entscheidenden Makel: Für die Herstellung von Prozessoren, Solarzellen oder Kondensatoren werden zum Teil teure Rohstoffe und toxische Materialien benötigt, und am Ende ihres Lebenszyklus müssen sie häufig als Sondermüll entsorgt werden. Wie es günstiger und zugleich umweltfreundlicher geht, daran forscht Dr. Volker Strauss am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der FAU (Inhaber: Prof. Dr. Dirk Guldi). In enger Zusammenarbeit mit seinem Kollegen Dr. Johannes Margraf hat Strauss im Rahmen seiner Promotion die elektronischen und optischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanopartikeln (KNP) untersucht und deren Praxistauglichkeit als Energieumwandler und Speichermedium in verschiedenen Studien nachgewiesen.

Synthese aus Zitronensäure und Harnstoff

KNP sind organische Teilchen, die aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff bestehen und wenige Nanometer groß sind. Sie werden durch thermo-chemische Spaltung von organischen Stoffen und anschließende Karbonisierung hergestellt. „Im Grunde handelt es sich hierbei um einen Prozess unvollständiger Verbrennung, wie er seit Jahrhunderten bei der Herstellung von Holzkohle genutzt wird“, erklärt Volker Strauss. „Am Ende erhalten wir unterschiedlich stark oxidierte Kohlenstoffverbindungen mit optischen und elektronischen Eigenschaften, die mit konventionellen anorganischen Nanopartikeln vergleichbar sind.“ Der entscheidende Vorteil gegenüber herkömmlicher anorganischer Elektronik: Die Ausgangsprodukte sind kostengünstig und quasi überall verfügbar – Volker Strauss hat KNP aus Harnstoff und Zitronensäure synthetisiert, generell aber kommen viele Formen von Biomasse infrage. Und: Die Bauteile sind später vollständig biologisch abbaubar.

Ladungstrennung durch Lichtanregung

Entscheidend für die Nutzung von KNP in elektronischen Bauteilen sind Ladungstrennungen durch optische Anregung. Die FAU-Forscher haben herausgefunden, dass KNP aus einem graphitartigen Kohlenstoffkern und einer Vielzahl hochoxidierter funktioneller Gruppen auf der Oberfläche bestehen, die eine Art polare Hülle bilden. „Werden die KNP beispielsweise mit Sonnenlicht bestrahlt, wandern angeregte Elektronen vom Kern an die Oberfläche und werden dort für ein paar Nanosekunden lokal gefangen, bevor sie wieder in den Grundzustand wechseln“, erklärt Strauss. „Diese Ladungstrennung durch Lichtabsorption können wir für die Herstellung biologischer Solarzellen nutzbar machen.“

Hybridmaterialien für breite Anwendung

In weiteren Studien konnte Strauss zeigen, dass der Elektronentransfer nicht nur innerhalb der KNP, sondern auch mit ausgewählten Bildungspartnern erfolgt – zum Beispiel mit Perylendiimid, einem sehr gut erforschten molekularen Elektronenakzeptor. Vielversprechend ist auch die Verbindung mit Kohlenstoff-Nanoröhren, die eine außerordentlich hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit lassen sich KNP in vielen leistungsfähigen Hybridmaterialien für eine effiziente Energiegewinnung einsetzen. Darüber hinaus sind KNP in ersten Versuchen zu ausgedehnten, elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnetzwerken zusammengeschlossen worden – die Basis für recyclingfähige Kohlenstoffelektroden in Batterien und Kondensatoren mit hoher elektrischer Kapazität.

Kontakt:

Dr. Volker Strauss
volker.strauss@fau.de