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Nanomaterialien Flach-Stapler: Mehrschichtiges Nanographen für Solarzellen von Morgen

Von Robert Emmerich*

Forscher der Uni Würzburg haben kleine Plättchen aus Graphen zu Stapeln zusammengelegt. Diese neuen Strukturen lassen sich gezielt mit verschiedenen Etagen designen und könnten sich als nützlich für die Solarzellentwicklung erweisen.

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Zwei Nanographene (blau) mit sperrigen Seitenstrukturen (grau) haben je ein PAK (rot) angelagert und sich zu einem Viererstapel formiert.
Zwei Nanographene (blau) mit sperrigen Seitenstrukturen (grau) haben je ein PAK (rot) angelagert und sich zu einem Viererstapel formiert.
(Bild: Arbeitsgruppe Würthner / Universität Würzburg)

Würzburg – Graphen ist ein Material aus Kohlenstoff, das nur aus einer einzigen Lage von Atomen besteht. Wegen seiner ungewöhnlichen Eigenschaften ist es für viele technische Anwendungen interessant. Das gilt auch für polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die man von ihrer chemischen Struktur her als Ausschnitte von Graphen betrachten kann. Sie gelten als vielversprechende Materialien für die organische Photovoltaik oder für Feldeffekttransistoren.

Große, einschichtige PAK-Moleküle – oft als Nanographen bezeichnet – sind gut erforscht. Dagegen ist nur wenig über PAK bekannt, die zu mehrschichtigen, säulenförmigen Stapeln angeordnet sind.

Schichtweise maßgeschneidertes Nanographen

Nun öffnet sich ein neuer Zugang zu diesen Materialien: Ein Team der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) eine neue Methode vor, mit der sich genau definierte, mehrschichtige Nanographene designen lassen. „In unserem Labor haben wir ein maßgeschneidertes Nanographen synthetisiert, das auf beiden Seiten seines planaren Kerns mit zwei Hohlräumen ausgestattet ist“, sagt Professor Frank Würthner, Leiter des JMU-Zentrums für Nanosystemchemie. Die Hohlräume sind durch sperrige Strukturen begrenzt. Dadurch kann das Nanographen an seiner Ober- und Unterseite maximal zwei kleinere PAK aufnehmen.

In seinen Experimenten beobachtete das Würzburger Team, dass das Nanographen in Lösung zwei- und dreischichtige PAK-Komplexe bildet. Außerdem isolierten die Chemiker Paare dieser Komplexe als Feststoffe, also als Vierer- und Sechserschicht-PAK, ebenso wie weitere mehrschichtige Verbindungen. Mittels Kristallographie bestimmten die Forscher die neuen Strukturen.

Mögliche Anwendung in Solarzellen

„Unser Konzept für die Organisation von mehrschichtigen Nanographenen sollte für das Design von funktionellen organischen Materialien anwendbar sein“, sagt Würthner. Vielversprechend sei die Strategie, mehrschichtige Nanographene als Ladungsträger generierende Einheiten für die Energiegewinnung in organischen Solarzellen zu verwenden.

Originalpublikation: Magnus Mahl, M.A. Niyas, Kazutaka Shoyama, Frank Würthner: Multilayer stacks of polycyclic aromatic hydrocarbons, Nature Chemistry, 7. Februar 2022, DOI: 10.1038/s41557-021-00861-5

* R. Emmerich, Julius-Maximilians- Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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