Nanostruktureret germanium til bærbare solceller og batterielektroder

Ved at bruge en ny procedure kan forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) og Ludwig Maximillians universitetet i München (LMU) nu producere ekstremt tynde og robuste, dog meget porøse halvlederlag. Et meget lovende materiale - til små, letvægts, fleksible solceller, for eksempel, eller elektroder, der forbedrer genopladelige batteriers ydeevne.

Belægningen på oblaten, som professor Thomas Fässler, formand for uorganisk kemi med fokus på nye materialer på TU München, holder i hænderne, glitrer som en opal. Og den har fantastiske egenskaber:Den er hård som en krystal, usædvanligt tynd og - da den er meget porøs - let som en fjer.

Ved at integrere egnede organiske polymerer i materialets porer, forskerne kan skræddersy de elektriske egenskaber af det efterfølgende hybridmateriale. Designet sparer ikke kun plads, det skaber også store grænsefladeoverflader, der forbedrer den samlede effektivitet.

"Du kan forestille dig vores råmateriale som et porøst stillads med en struktur, der ligner en honningkage. Væggene består af uorganiske, halvledende germanium, som kan producere og lagre elektriske ladninger. Da bikagevæggene er ekstremt tynde, ladninger kan flyde langs korte veje, " forklarer Fässler.

Det nye design:bottom-up i stedet for top-down

Men, at forvandle skørt, hårdt germanium i et fleksibelt og porøst lag måtte forskerne anvende et par tricks. Traditionelt, ætsningsprocesser bruges til at strukturere overfladen af ​​germanium. Imidlertid, denne top-down tilgang er svær at kontrollere på atomniveau. Den nye procedure løser dette problem.

Sammen med sit team, Fässler etablerede en syntesemetode til at fremstille de ønskede strukturer meget præcist og reproducerbart. Råmaterialet er germanium med atomer arrangeret i klynger af ni. Da disse klynger er elektrisk ladede, de frastøder hinanden, så længe de er opløst. Netting finder kun sted, når opløsningsmidlet er fordampet.

Dette kan let opnås ved at påføre varme på 500 ° C, eller det kan induceres kemisk, ved at tilsætte germaniumchlorid, for eksempel. Ved at bruge andre chlorider som fosforchlorid kan germaniumstrukturer let dopes. Dette giver forskerne mulighed for direkte at justere egenskaberne af de resulterende nanomaterialer på en meget målrettet måde.

Små syntetiske perler som nanoskabeloner

For at give germaniumklyngerne den ønskede porøse struktur, LMU-forskeren Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing har udviklet en metode til at muliggøre nanostrukturering:Små polymerperler danner tredimensionelle skabeloner i et indledende trin.

I næste trin, germanium-klyngeopløsningen fylder hullerne mellem perlerne. Så snart der er dannet stabile germanium-netværk på overfladen af ​​de små perler, skabelonerne fjernes ved at tilføre varme. Tilbage er den meget porøse nanofilm.

De indsatte polymerperler har en diameter på 50 til 200 nanometer og danner en opal struktur. Germanium stilladset, der kommer frem på overfladen, fungerer som en negativ form - der dannes en omvendt opal struktur. Dermed, nanolagene glitrer som en opal.

"Alene det porøse germanium har unikke optiske og elektriske egenskaber, som mange energirelevante applikationer kan drage fordel af, " siger LMU-forsker Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing, WHO, i samarbejde med Fässler, udviklet materialet. "Udover det, vi kan fylde porerne med en lang række funktionelle materialer, derved skabe en bred vifte af nye hybridmaterialer."

Nanolag baner vejen til bærbare solcelleløsninger

"Når det kombineres med polymerer, porøse germaniumstrukturer er velegnede til udvikling af en ny generation af stabile, ekstremt lette og fleksible solceller, der kan oplade mobiltelefoner, kameraer og bærbare computere, mens du er på farten, " forklarer fysikeren Peter Müller-Buschbaum, professor i funktionelle materialer ved TU München.

Producenter over hele verden er på udkig efter lette og robuste materialer til brug i bærbare solceller. Til dato har de primært brugt organiske forbindelser, som er følsomme og har relativt korte levetider. Varme og lys nedbryder polymererne og får ydeevnen til at forringes. Her, de tynde, men robuste germanium-hybridlag giver et reelt alternativ.

Nanolag til nye batterisystemer

Næste, forskerne vil bruge den nye teknologi til at fremstille meget porøse siliciumlag. Lagene testes i øjeblikket som anoder til genopladelige batterier. De kunne tænkes at erstatte de grafitlag, der i øjeblikket bruges i batterier for at forbedre deres kapacitet.