Nano-Photovoltaik

Der Weltenergiebedarf wird derzeit hauptsächlich durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern gedeckt. Aufgrund ökologischer, ökonomischer und nicht zuletzt politischer Überlegungen gewinnen erneuerbare Energiequellen zusehends an Bedeutung. In den letzten Jahren wurde ein enormer Anstieg des Interesses an Solarenergie verzeichnet, da deren Nutzung einen erfolgversprechenden und zukunftsträchtigen Möglichkeit zur Lösung der Energieproblematik eröffnet. Um die ökonomischen Einschränkungen, die derzeit die breite Akzeptanz der Solarenergie limitieren, zu überwinden, sind weitere technologische Fortschritte unerlässlich. Diese beruhen auf grundlegenden Untersuchungen, um das Verständnis der elementaren mechanistischen Vorgänge, die in photovoltaischen Systemen auftreten, zu entwickeln. Im Zuge dieses Projektes sollen Nanometer-große photovoltaische Einheiten untersucht werden, die auf atomarer Ebene analysiert und verstanden werden können. Diese eröffnen einen bemerkenswerten Weg zur Erforschung und Kontrolle von fundamentalen photovoltaischen Prozessen wie optischer Absorption, Ladungstrennung und Ladungstransport. Methodisch wird in diesem Projekt ein leistungsfähiges und neuartiges Instrument eingesetzt, das sowohl für die Herstellung von Nanostrukturen, als auch für deren Analyse konzipiert wurde. Dieses besteht aus einer kombinierten Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop-Einheit, die über Lichtleiter optischen Zugang bietet. Zusätzlich ist das Instrument mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop ausgestattet, das über die Methode der Elektronenstrahl-induzierten Deposition auch eine elektrische Kontaktierung der Nanostrukturen ermöglicht. Das vorgestellte Projekt ist für ein grundlegendes Verständnis von photo-induzierten Prozessen auf der Nanometer- Skala von großer Bedeutung und stellt die Anwendung von fundamentaler Forschung auf technologisch relevante Problemstellungen dar.

Molekulare Materialien sind aufgrund ihrer Anwendungsmöglichkeiten in der Photovoltaik, Elektronik, Spintronik und Photonik sowohl in der Grundlagenforschung als auch im technologischen Bereich von großer Bedeutung. Eine der herausragenden Eigenschaften molekularer Materialien ist, dass ihre elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften über einen weiten Bereich variiert werden können. Um aus den komplexen und dynamischen Zusammenhängen zwischen der chemischen Struktur und der physikalischen und chemischen Funktionalität dieser Materialien technologischen Nutzen zu ziehen, ist Verständnis und Kontrolle ihrer Eigenschaften auf atomarer Ebene unerlässlich.In dieser Arbeit haben wir auf der Nanoskala untersucht, wie molekulare photovoltaische Systeme über Reaktionen an Oberflächen von Grund auf (Atom für Atom und Bindung für Bindung) synthetisiert werden können, wie die chemische Struktur solcher Systeme ihre elektronischen Eigenschaften beeinflusst und wie die Funktionalität von Molekülen auf Graphen-Substraten über eine Steuerspannung kontrolliert werden kann.Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie konnten wir die Umordnung von chemischen Bindungen in Zyklisierungs- und Kopplungsreaktionen von organischen Molekülen auf metallischen Oberflächen verfolgen. Diese Methode ermöglicht die direkte Abbildung der chemischen Struktur der Ausgangsstoffe, Zwischenprodukte und Endprodukte verschiedener kompetitiver Reaktionswege. Dadurch können Reaktionsmechanismen direkt abgeleitet werden. Weiters konnten wir - basierend auf theoretischen Rechnungen - aufklären, wie Energietransfer auf der atomaren Ebene die globale Reaktionskinetik beeinflusst.Kopplungsreaktionen dieser Art wurde verwendet, um molekulare Polymer-Ketten auf metallischen Oberflächen zu synthetisieren. Durch Veränderung der chemischen Struktur dieser Polymer-Ketten können deren elektronische Eigenschaften gesteuert werden. Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen zeigen einen eindimensionalen elektronischen Transportkanal entlang der molekularen Ketten. Solche Kanäle sind für Ladungstransport in photovoltaischen Systemen von großer Bedeutung und haben einen starken Einfluss auf die Effizienz solcher Systeme.Weiters haben wir in diesem Projekt den Prototyp eines hybriden Molekül-Graphen Bauteils vorgestellt, das es erlaubt, über eine Steuerspannung molekulare Energieniveaus zu verschieben. Auf diese Weise kann molekulare Funktionalität dynamisch beeinflusst werden und so eine Reihe von physikalischen und chemischen Eigenschaften (das sind zum Beispiel optische Absorptionseigenschaften, Magnetismus, mechanische Eigenschaften oder katalytische Aktivität) gesteuert werden.