Kohlenstoffnanoröhren Solarzellen und Sensoren

• Antragsteller: Dr. Benjamin Flavel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230785872

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Während der letzten fünf Jahre hat das Interesse an Kohlenstoffnanoröhren als lichtempfindliches Material für die Photovoltaik stark zugenommen. Um Kohlenstoffnanoröhren in Solarzellen verwenden zu können, sind nicht nur neuartige Solarzellenarchitekturen nötig, sondern auch neue Verfahren zur Kontrolle der Länge, der Anzahl der Wände, des Durchmessers und der elektronischen und optischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren. Zusätzlich muss es mit diesen Verfahren möglich sein große Mengen von Kohlenstoffnanoröhren mit gewünschten Eigenschaften herzustellen. Abschließend werden Methoden benötigt, mit denen man die Ausrichtung dieses 1D-Nanomaterials auf der Makro- und Nanoebene kontrollieren kann, um großflächige und dünne Schichten mit beliebiger Orientierung zu erzeugen. Mit diesen Herausforderungen befasst sich die Emmy-Noether-Arbeitsgruppe von Dr. Benjamin Flavel. Für die routinemäßige Anreicherung und Bereitstellung von großen Mengen von Kohlenstoffnanoröhren wurde bereits ein gelbasiertes Trennverfahren entwickelt. Dieses Verfahren sortiert Kohlenstoffnanoröhren nicht nur anhand ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften, sondern auch nach ihrer Chiralität. Im Fall einer doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhre ist eine Sortierung aufgrund der elektrischen Eigenschaft (metallisch oder halbleitend) der äußeren Wand möglich. Aus der dadurch verfügbaren großen Menge an Kohlenstoffnanoröhren (im mg Bereich) werden neuartige Kohlenstoffnanoröhren-Tinten entwickelt, mit deren Hilfe wiederum großflächige, ausgerichtete dünne Schichten hergestellt werden können. Diese Filme aus Kohlenstoffnanoröhren werden mit verschiedenen Fullerenderivaten kombiniert um eine funktionsfähige Solarzelle herzustellen. Das Augenmerk liegt hierbei bei der Entwicklung und Herstellung von Verfahren zum Bau einer rein auf Kohlenstoff basierten Solarzelle. Gleichermaßen werden auf die einzigartigen optischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren verschiedener Chiralität zur Herstellung von lichtempfindlichen Bauteilen auf Nanoebene benutzt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Cavity-Enhanced Light Emission from Electrically Driven Carbon Nanotubes, Nature Photonics 10 (2016) 420
  F. Pyatkov, V. Fuetterling, S. Khasminskaya, B. S. Flavel, F. Hennrich, M. M. Kappes, R. Krupke, W. H. P. Pernice
  
• Large Scale, Selective Dispersion of Long Single-Walled Carbon Nanotubes with High Photoluminescene Quantum Yield by Shear Force Mixing, Carbon 105 (2016) 593–599
  A. Graf, Y. Zakharko, S. P. Schiessl, C. Backes, M. Pfohl, B. S. Flavel, J. Zaumseil,
  
• Probing the Diameter Limit of Single Walled Carbon Nanotubes in SWCNT:Fullerene Solar Cells, Advanced Energy Materials 6 (2016) 1600890
  M. Pfohl, K Glaser, A. Graf, A. Mertens, D. Tune, T. Puerckhauer, A. Alam, L. Wei, Y. Chen, J. Zaumseil, A. Colsmann, R. Krupke, B. S. Flavel
  
• Exploring the Upper Limit of Single-Walled Carbon Nanotube Purity by Multiple-Cycle Aqueous Two-Phase Separation, Nanoscale 9 (2017) 12835–12842
  W. Li, B. S. Flavel, R. Krupke, Y. Chen
  
• Fitting Single-Walled Carbon Nanotube Optical Spectra, ACS Omega 2 (2017) 1163–1171
  M. Pfohl, D. D. Tune, A. Graf, J. Zaumseil, B. S. Flavel
  
• Photocurrent Spectroscopy of Dye Sensitized Carbon Nanotubes, Nanoscale 9 (2017) 11205–11213
  A. Alam, S. Dehm, F. Hennrich, Y. Zakharko, A. Graf, M. Pfohl, I. Hossain, J. Zaumseil, R. Krupke, B. S. Flavel
  
• Resonant Anti-Stokes Raman Scattering in Single-Walled Carbon Nanotubes, Physical Review B 96 (2017) 245415
  G. Gordeev, A. Jorio, P. Kusch, B. G. M. Vieira, B. S. Flavel, R. Krupke, E. B. Barros, S. Reich
  
• Advances in Carbon Nanotube-Silicon Heterojunction Solar Cells, Advanced Energy Materials 8 (2018) 1703241
  D. D. Tune, B. S. Flavel
  
• Effect of SWCNT Composition on Polyfluorene-Based SWCNT Dispersion Selectivity, Chemistry – A European Journal 24 (2018) 1703241
  S. Liang, H. Li, B. S. Flavel, A. Adronov
  
• Asymmetry of Resonance Raman Profiles in Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes at the First Excitonic Transition, Physical Review B 99 (2019) 045404
  G. Gordeev, B. S. Flavel, R. Krupke, P. Kusch, S. Reich