Kohlenstoffnanoröhren für Energie

• Antragsteller: Dr. Benjamin Flavel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400008013

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind ein vielseitiges Material mit vielfältigen potenziellen Funktionen für die Photovoltaik. Grundsätzlich können alle Elemente einer Solarzelle, von der lichtempfindlichen Komponente über trägerselektive Kontakte, Schichten zur Passivierung bis hin zu transparenten leitenden Filmen, durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt werden. Daher zielte dieses Projekt darauf ab, Techniken zu entwickeln, die den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren in jedem dieser Bereiche ermöglichen. Es wurden CNT-Tinten entwickelt, die direkt auf Silizium geschleudert werden können und einen „passivierten ladungsselektiven Kontakt“ (PCSC) bilden. Diese wurden zur Herstellung von CNT:Silizium-Solarzellen mit einem Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) von über 23 % verwendet. In organischen Solarzellen und als lichtempfindliche Elemente wurden chiralitätsreine CNTs mit neuen Nicht-Fulleren-Akzeptoren und in einer ternären Mischung mit dem Donor/Akzeptor PM6:Y6 kombiniert. Es wurden sowohl Bulk-Heterojunction- als auch Bilayer-Geräte hergestellt und es wurde festgestellt, dass die SWCNTs die Lichtabsorption der Solarzellen in den Infrarotbereich erweitern. Es wurde ein maßgeschneiderter Mikrofluidik-Aufbau entwickelt, der die Filtration von SWCNTs präzise steuern kann, und dieser wurde verwendet, um globale und uniaxial ausgerichtete dünne Filme von SWCNTs zusammen mit anspruchsvolleren Geometrien, beispielsweise solchen mit radialer Symmetrie zu erzeugen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Breakthrough Carbon Nanotube–Silicon Heterojunction Solar Cells. Advanced Energy Materials, 10(1).
  Tune, Daniel D.; Mallik, Nitin; Fornasier, Heike & Flavel, Benjamin S.
  
• Separation of Small-Diameter Single-Walled Carbon Nanotubes in One to Three Steps with Aqueous Two-Phase Extraction. ACS Nano.
  Li, Han; Gordeev, Georgy; Garrity, Oisin; Reich, Stephanie & Flavel, Benjamin S.
  
• A Polymer/Carbon‐Nanotube Ink as a Boron‐Dopant/Inorganic‐Passivation Free Carrier Selective Contact for Silicon Solar Cells with over 21% Efficiency. Advanced Functional Materials, 30(38).
  Chen, Jianhui; Wan, Lu; Li, Han; Yan, Jun; Ma, Jikui; Sun, Biao; Li, Feng & Flavel, Benjamin S.
  
• Carbon Nanotubes for Photovoltaics: From Lab to Industry. Advanced Energy Materials, 11(3).
  Wieland, Laura; Li, Han; Rust, Christian; Chen, Jianhui & Flavel, Benjamin S.
  
• Emerging Materials for Energy Catalysis. Advanced Energy Materials, 10(11).
  Guo, Shaojun & Zhang, Qiang
  
• Global Alignment of Carbon Nanotubes via High Precision Microfluidic Dead‐End Filtration. Advanced Functional Materials, 32(10).
  Rust, Christian; Li, Han; Gordeev, Georgy; Spari, Manuel; Guttmann, Markus; Jin, Qihao; Reich, Stephanie & Flavel, Benjamin S.
  
• The potential of SWCNTs to extend the IR-absorption of silicon solar cells. Carbon, 184, 828-835.
  Wieland, L.; Rust, C.; Li, H.; Jakoby, M.; Howard, I.; Li, F.; Shi, J.; Chen, J. & Flavel, B.S.
  
• Ternary PM6:Y6 Solar Cells with Single‐Walled Carbon Nanotubes. Small Science, 3(2).
  Wieland, Laura; Li, Han; Zhang, Xuning; Chen, Jianhui & Flavel, Benjamin S.
  
• The Impact of Carbon Nanotube Length and Diameter on their Global Alignment by Dead‐End Filtration. Small, 19(10).
  Rust, Christian; Shapturenka, Pavel; Spari, Manuel; Jin, Qihao; Li, Han; Bacher, Andreas; Guttmann, Markus; Zheng, Ming; Adel, Tehseen; Walker, Angela R. Hight; Fagan, Jeffrey A. & Flavel, Benjamin S.
  
• Radial Alignment of Carbon Nanotubes via Dead‐End Filtration. Small, 19(19).
  Rust, Christian; Schill, Elias; Garrity, Oisín; Spari, Manuel; Li, Han; Bacher, Andreas; Guttmann, Markus; Reich, Stephanie & Flavel, Benjamin S.