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Selbstorganisierende Nanostrukturen
Forscher der University of California, Berkeley, haben einen einfachen Weg gefunden, eine komplexe Nanostruktur herzustellen, die aus winzigen Stäbchen besteht, die mit Nanokristallen besetzt sind. Die neue Selbstorganisations-Synthesemethode könnte zu komplizierten Nanomaterialien für effizientere Solarzellen und kostengünstigeren Geräten zur direkten Umwandlung von Wärme in Strom führen.
Keine Montage erforderlich: Nanostäbchen aus Cadmiumsulfid mit Silbersulfid-Quantenpunkten (dunkle Flecken) bilden sich automatisch, wenn Forscher die richtigen Ausgangschemikalien zusammenmischen.
In den Strukturen haben die Quantenpunkte alle ungefähr die gleiche Größe und sind gleichmäßig entlang der Stäbchen verteilt – eine Leistung, die in der Vergangenheit besondere Bedingungen wie ein Vakuum erforderte, wobei die Forscher die Größe und den Abstand verschiedener Materialien sorgfältig kontrollierten, sagt Paul Alivisatos , dem Professor für Chemie und Materialwissenschaften in Berkeley, der die Arbeit leitete. Im Gegensatz dazu mischt Alivisatos einfach die entsprechenden Ausgangsmaterialien in einer Lösung zusammen; diese Materialien ordnen sich dann in die geordnete Struktur ein.
Solche Lösungsverarbeitungstechniken können zu Herstellungsverfahren führen, bei denen Materialien, wie sie in Solarzellen verwendet werden, auf Endlosfolien gedruckt werden, was die Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren senkt. Jedes Mal, wenn Sie etwas in Lösung und nicht in einem Vakuum herstellen, wird es viel einfacher und billiger, sagt Moungi Bawendi , einem Chemieprofessor am MIT, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war.
Um die Stäbchen herzustellen, mischt Alivisatos eine Kombination aus Methanol und einem Silbersalz in eine Lösung, die bereits Cadmium-Sulfid-Nanostäbe enthält. Cadmiumionen haben eine starke Affinität zu Methanol. Dadurch entzieht das Methanol beim Mischen der Materialien Cadmium aus den Nanostäben. Silberionen füllen dann die freien Stellen, die das Cadmium hinterlassen hat, und bilden Bereiche aus Silbersulfid innerhalb des Stabes. Gleichzeitig regulieren Unterschiede in der kristallinen Struktur der Cadmiun-Sulfid-Stäbchen und der Silber-Sulfid-Quantenpunkte die Größe und Abstände der Punkte. Dies ist das erste Mal, dass solche Unterschiede verwendet werden, um die Selbstorganisation von Materialien in Lösung zu kontrollieren.
Die mit Nanokristallen besetzten Stäbe könnten sich für Solarzellen und thermoelektrische Geräte als nützlich erweisen, die Wärme direkt in Strom umwandeln. In herkömmlichen Solarzellen erzeugt beispielsweise jedes Photon nur ein einzelnes Elektron. Aber bestimmte Arten von Quantenpunkten wandeln einzelne Photonen in mehrere Elektronen um, was die Effizienz von Solarzellen mehr als verdoppeln könnte. (Siehe Silizium und Sonne.) Das Problem besteht darin, diese Elektronen einzufangen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Einbetten von Quantenpunkten in Stäbchen aus einem anderen Material könnte bei diesem Problem helfen, sagt Alivisatos. Die Quantenpunkte würden das Licht absorbieren, während das andere Material die Elektronen einfangen würde, die die Punkte erzeugen.
Eine ähnliche Konfiguration ist vielversprechend für Thermoelektrik, Geräte, die Wärme direkt in Strom umwandeln. Die abwechselnden Kristallstrukturen in den Nanostäbchen könnten die Wärmeübertragung blockieren und gleichzeitig Elektronen passieren lassen – zwei Schlüsselmerkmale solcher Geräte.
Nachdem Alivisatos und seine Kollegen die neue Methode zur Herstellung der Strukturen demonstriert haben, beginnen sie, die möglichen photoelektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften der Materialien zu untersuchen. Sie werden wahrscheinlich auf andere Verbindungen zurückgreifen müssen, wie Kupfersulfid und Cadmiumsulfid – eine Kombination, die in der Vergangenheit für Solarzellen verwendet wurde, sagt Alivisatos. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass diese Materialien die gleichen geordneten Strukturen bilden oder dass die Strukturen tatsächlich so funktionieren, wie sich die Forscher erhoffen.
Auch wenn sich diese besonderen Strukturen nicht als Schlüssel zu kostengünstigen und hocheffizienten Solarzellen erweisen, könnte das neue Selbstorganisationsverfahren zur Herstellung von Nanostrukturen neue Materialien inspirieren, die es sind. Und Bawendi betont die Notwendigkeit, solche Grundlagenforschung fortzusetzen, um die heutigen Energieprobleme zu lösen. Wir wissen nicht, was die Lösung sein wird, sagt er. Aber wenn wir hochwertige, sorgfältig beschriebene Materialien herstellen, wie es Alivisatos getan hat, könnten einige davon die Antwort sein, sagt Bawendi.