Großflächige Graphenschichten für zweidimensionale Elektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Nickel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242759233

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ausgangspunkt für das Teilprojekt „Großflächige Graphenschichten für zweidimensionale Elektronik“ war es die herausragenden Eigenschaften von Graphen für die Photovoltaik zu nutzen und transparente leitfähige Oxyde, wie z. B. Indium-Zinn-Oxyd (ITO) oder Zinkoxyd (ZnO) zu ersetzen. Im Rahmen des Projektes wurde Graphen in verschiedene Solarzellenkonzepte integriert. Siliziumheterostruktursolarzellen wurden hergestellt, indem eine einlagige Graphenschicht auf einen (111) orientierten Siliziumwafer aufgebracht wurde. Die ungesättigten Siliziumatome an der Grenzfläche zur Graphenschicht wurden mit Wasserstoff oder Methylgruppen (CH3) passiviert. Solarzellen mit einer Wasserstoff­ passivierung zeigten einen verschwindend kleinen Wirkungsgrad, wohingegen eine CH3-Passivierung der Grenzfläche zu Wirkungsgraden bis 4,2 % führten. Darüber hinaus waren die Methylpassivierten Solarzellen in Umgebungsatmosphäre stabil. Großflächige Graphenschichten wurden ebenfalls als Kontaktschicht in Perowskitsolarzellen implementiert. Diese Solarzellen haben in den vergangenen 3-4 Jahren eine phantastische Entwicklung verzeichnet und Wirkungsgrade von mehr als 22 % erreicht. Der Absorber dieser Solarzellen basiert auf einem hybriden Material bestehend aus Methylammonium- Blei-tri-Jodid (CH3NH3Pbl3). Für die elektrischen Kontakte werden organische Materialien wie z. B. spiro-OMeTAD verwendet. Die Solarzellen werden mittels Spincoating hergestellt, wobei die Ausgangsstoffe mit Lösungsmitteln versetzt sind. Dies verlangte die Entwicklung eines lösungsmittelfreien Transferprozesses für Graphen. Die elektrischen Eigenschaften der Solarzellen mit einer Schichtfolge von Glas/Sn02:F/Ti02/CH3NH3Pbl3/spiro- OMeTAD/Graphen waren vergleichbar zu Solarzellen, wo ein Standard Goldkontakt anstelle des Graphens verwendet wurde. Dieser Solarzellenaufbau eignet sich hervorragend für eine Perowskit-Silizium Tandemsolarzelle. Die Forschung im Rahmen unseres Teilprojektes konzentrierte sich, neben den Arbeiten für Solarzellen, auf die Verwendung von großflächigem Graphen in Biosensoren. Dazu wurde die Graphenoberfläche elektrochemisch modifiziert und p-(N-Maleimido)phenyl (p-MP) chemisch angebunden. Anschließend wurden die funktionalisierten Graphenschichten durch anbinden von Thiolen oder Peptidnukleinsäure (PNA) via Michael-Addition modifiziert. Diese Schritte wurden direkt nach der CVD-Herstellung von Graphen auf Kupferfolie durchgeführt. Die funktionalisierten und modifizierten Graphenschichten wurden dann auf beliebige Substrate (Si02, Glas, Gold, PTFE), ohne Verlust der Funktionalität, übertragen. Mittels eines Transfers einer p-MP funktionalisierten Graphenschicht, welche mit PNA modifiziert war, auf ein vorkontaktiertes Substrat wurde ein resistiver DNA-Sensor konstruiert. Das Bauelement zeigte eine hohe Selektivität gegenüber der mit PNA komplementären DNA-Sequenz.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018) Electrochemical Modification of Large Area Graphene and Characterization by Vibrational Spectroscopy. In: Encyclopedia of interfacial chemistry: surface science and electrochemistry. Amsterdam: Elsevier. S. 80–94
  K. Hinrichs, T. Shaykhutdinov, C. Kratz, F. Rösicke, C. Schöniger, C. Arenz, N.H.,Nickel, and J. Rappich
  
• “Stability of graphene-silicon heterostructure solar cells,” Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sc/., vol. 211, no. 4, pp. 843-847, 2014
  V. V. Brus, M. A. Gluba, X. Zhang, K. Hinrichs, J. Rappich, and N. H. Nickel
  
• “Temperature and light dependent electrical properties of Graphene/n-Si-CH3-terminated solar cells," Sol. Energy, vol. 107, pp. 74-81,2014
  V. V. Brus, M. A. Gluba, X. Zhang. K. Hinrichs, J. Rappich, and N. H. Nickel
  
• "Perovskite Solar Cells with Large-Area CVD-Graphene for Tandem Solar Cells,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 6, no. 14, pp. 2745-2750. 2015
  F. Lang, M. A. Gluba, S. Albrecht, J. Rappich, L. Korte, B. Rech, and N. H. Nickel
  
• “Quantifying the electrochemical maleimidation of large area graphene.” Electrochem. commun., vol. 57, pp. 52-55, 2015
  F. Roesicke, M. A. Gluba, K. Hinrichs. G. Sun, N. H. Nickel, and J. Rappich
  
• “In situ graphene doping as a route toward efficient perovskite tandem solar cells," Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci., vol. 213, no. 7, pp. 1989-1996, 2016
  F. Lang, M. A. Gluba, S. Albrecht, O. Shargaieva, J. Rappich. L. Korte. B. Rech, and N. H. Nickel
  
• “Conjugated Polyelectrolyte/Graphene Hetero-Bilayer Nanocomposites Exhibit Temperature Switchable Type of Conductivity,” Adv. Electron. Mater., vol. 3, no. 2, 1600515, 2017
  V. V Brus, M. A. Gluba, C.-K. Mai, S. L. Fronk, J. Rappich, N. H. Nickel, and G. C. Bazan
  
• “Functionalization of any substrate using covalently modified large area CVD graphene," Chem. Commun. Vol. 67, pp 9287-9382, 2017
  F. Rösicke, M. A, Gluba, T. Shaykhutdinov, G. Sun, C. Kratz, J. Rappich. K. Hinrichs, and N. H. Nickel
  
• “Functionalization of gold and graphene electrodes by p-maleimidophenyl towards thiol-sensing systems investigated by EQCM and IR ellipsometric spectroscopy," Appl. Surf. Sci., vol. 392C, p. 975, 2017
  T. J. Neubert, F. Rösicke, G. Sun, S. Janietz, M. A. Gluba, K. Hinrichs, J. Rappich, and N. H. Nickel