Hoffnung auf Silicium-Solarzellen mit deutlich höheren Wirkungsgraden
Neuer Syntheseweg zu löslichen Silicium-Clustern
Die weltbesten Silicium-Solarzellen besitzen derzeit einen Wirkungsgrad von 24 Prozent. Die theoretische Grenze liegt bei rund 29 Prozent. „Das liegt daran“, erläutert Thomas Fässler, Professor für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München, „dass das in der Diamantstruktur kristallisierende Silicium nur eine indirekte Bandlücke nutzen kann.“
Forscher träumen daher von Materialien in denen die Silicium-Atome so angeordnet sind, dass eine direkte Bandlücke entsteht, die sie für die solare Energieproduktion nutzen können. Als Modellverbindungen dafür sieht die Wissenschaft kleine Silicium-Cluster an. Hier lassen sich die Atome anders anordnen als im kristallinen Silicium.
„Solche Verbindungen sind auch für eine Vielzahl weiterer chemischer Experimente interessant“, sagt Professor Fässler. Gezielt können wir derzeit in wenigen Syntheseschritten vier und neun Silicium-Atome zu Tetraedern beziehungsweise einer fast kugelförmigen Struktur zusammenfügen. Die Synthesen und die Isolierung der Atomcluster waren bisher aber sehr aufwändig. Hier sind wir nun einen entscheidenden Schritt vorangekommen.“
Eine Traube aus neun Silicium-Atomen
Beim Zusammenschmelzen von Kalium und Silicium entsteht eine Verbindung aus 12 Kalium- und 17 Silicium-Atomen, ein graues Pulver. Mit einem Trick gelang es nun Erstautor Lorenz Schiegerl in flüssigem Ammoniak die löslichen, neunatomigen Cluster zu stabilisieren: Zum Ammoniak gab er ein organisches Molekül hinzu, das die Kalium-Atome einschließt.
„Diese einfache Synthese öffnet uns, ausgehend von elementarem Silicium, den Weg zu vielfältigen chemischen Experimenten mit diesen Clustern“, sagt Professor Fässler. „Im Lösungsmittel Pyridin wird der Cluster beispielsweise durch zwei Wasserstoff-Atome stabilisiert, ähnlich den vermuteten Zwischenstufen bei der großtechnischen Herstellung von polykristallinem Silicium, das unter Einsatz von Silanen oder Chlorsilanen für kommerziell verfügbare Solarzellenmodule hergestellt wird.“
Aufbau neuer Strukturen
Besonders vielversprechend ist ein weiterer Reaktionsweg zu Verbindungen des Silicium-Clusters, bei denen drei der neun Silicium-Atome sich mit Molekülen verbinden, die wiederum Silicium oder beispielsweise auch Kohlenstoff oder Zinn enthalten. In den rotbraun gefärbten Lösungen liegen die zurzeit siliciumreichsten, bekannten Cluster vor. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten Silicium mit modifizierten Strukturen aus Lösung abzuscheiden.
„Denkt man diesen Weg weiter, sollten auch Kopplungen der Cluster möglich sein, um größere Silicium-Strukturen aufzubauen. Damit kämen wir den Wünschen der Theoretiker schon sehr nahe“, sagt Professor Fässler. „Auf jeden Fall haben wir hier die Tür zu einer faszinierenden neuen Chemie aufgestoßen.“
Silicon Clusters with Six and Seven Unsubstituted Vertices via a Two-step Reaction from Elemental Silicon
L. J. Schiegerl, A. J. Karttunen, W. Klein, T. F. Fässler
Chemical Science, 2019, 10, 9130 – 9139 – DOI: 10.1039/C9SC03324F
Charged Si9 Clusters in Neat Solids and the Detection of [H2Si9]2- in Solution – A Combined NMR, Raman, Mass Spectrometric, and Quantum Chemical Investigation
L. J. Schiegerl, A. J. Karttunen, J. Tillmann, S. Geier, G. Raudaschl-Sieber, M. Waibel, T. F. Fässler
Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12950 –12955 – DOI: 10.1002/ange.201804756
Das Projekt wurde von der der WACKER Chemie AG im Rahmen des „WACKER-Instituts für Siliciumchemie“ an der TUM, dem Bayerischen Forschungsverbund „Solar Technologies Go Hybrid” und der Academy of Finland gefördert. Die Elektronenstrukturrechnungen führte Prof. Dr. Karttunen, Aalto Universität, Helsinki (Finnland) am finnischen IT Center for Science (CSC) durch.
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