Forschung                                                                                  

Der Bedarf an Gewinnung von Energie durch erneuerbare Energiequellen wächst. Dies ist eine Entwicklung, welche durch allmähliche Knappheit an fossilen Energieträgern und dem gestiegenen allgemeinen Umweltbewusstsein voranschreitet. Eine Möglichkeit, die Sonnenstrahlung als Energiequelle zu nutzen, bietet die Photovoltaik, wobei Solarzellen auf Siliziumbasis am weitesten verbreitet sind. Es gibt jedoch einige alternative Absorbermaterialien. Ein Beispiel hierfür ist das Kupferindiumdiselenid CuInSe₂, welches mit seinen homologen Verbindungen der allgemeinen Formel CuME₂ (M = In, Ga und E = S, Se) unter der Abkürzung CIGS-Halbleiter zusammengefasst wird. Diese Verbindungshalbleiter zeichnen sich durch einen hohen Absorptionskoeffizienten aus, weshalb sie zur Konstruktion von materialsparenden Dünnschichtsolarzellen geeignet sind:

   

Es gibt verschiedene Möglichkeiten dünne Schichten der CIGS-Halbleiter bei erhöhter Temperatur auf unterschiedlichen Substraten abzuscheiden, wobei noch keine bis jetzt in größerem industriellen Maßstab genutzt wird.
Aus diesem Grund beschäftigen wir uns mit der Synthese, Charakterisierung und Zersetzungsexperimenten von möglichen molekularen Precursoren, welche sich für die Abscheidung der erwähnten CIGS-Halbleiter eignen. Solche Vorläuferverbindungen enthalten die Elemente eines gewünschten Produktes, in diesem Fall also Cu, In/Ga und S/Se. Die intramolekulare Stöchiometrie der Precursoren soll meist der des Produktes CuME₂ entsprechen. Die gewünschten Elemente sollten schon in diesen Verbindungen chemische Bindungen untereinander aufweisen, und in der Peripherie durch kovalente und/oder koordinative Bindungen zu meist organischen Gruppen abgeschirmt sein. Die Peripherie dient dabei dem Schutz der Kernverbindung vor zu schnellem Abbau. Beispiele für solche Clusterverbindungen sind nachfolgend gezeigt:

Durch thermische Zersetzung der Vorläuferverbindung soll dann das gewünschte Produkt in geeigneter Qualität entstehen. Für die Synthese der Verbindungen kommen hierbei hauptsächlich chemische Arbeitstechniken unter Inertgasatmosphäre zum Einsatz. Die Charakterisierung der Stoffe erfolgt vor allem durch Röntgenbeugungsmethoden (Einkristallstrukturanalyse und Pulverdiffraktometrie) in Kombination mit weiteren analytischen Methoden wie NMR-Spektroskopie und Elementaranalyse. Die Beobachtung der Zersetzungsvorgänge erfolgt durch temperaturabhängige Röntgenpulverdiffraktometrie, Thermogravimetrie und der Charakterisierung der Zersetzungsprodukte. In Planung befindet sich die Konstruktion einer Apparatur für Dünnschichtabscheidung auf unterschiedlichen Substraten.

In Komplexverbindungen, in denen Liganden mit mehreren funktionellen Gruppen, wie z.B. Carboxylaten oder Aminen, verwendet werden, ist eine Verknüpfung mehrerer Metallzentren durch verbrückende Liganden möglich. Die bisher dargestellten Netzwerke weisen ein hohes Anwendungspotential auf, jedoch erfüllen sie noch nicht alle bisher in sie gesetzten Erwartungen. Daher liegt der Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe auf der Synthese neuartiger Liganden und der Umsetzung mit verschiedenen Metallsalzen zum Aufbau neuer Gerüststrukturen. Zur Charakterisierung werden neben spektroskopischen vorrangig röntgenographische Methoden, ebenso wie TG, DSC und DTA verwendet. Dabei kommen in unserem Arbeitskreis z.B. folgende Linker zum Einsatz: 

Ziel ist die zwei- oder dreidimensionalen Verknüpfung der Liganden mit Metallionen zu Koordinationspolymeren, welche im Inneren eine Porenstruktur aufweisen.  Diese sind dann in der Regel mit dem zur Synthese genutzten Lösungsmittel gefüllt. Zur Anwendung ist es notwendig, dieses zu entfernen. Am nachfolgend gezeigten Pulverdiffraktogramm sieht man, dass zuerst der Verlust an Solvens mit einer Änderung der Struktur einhergeht und sich dann die Struktur bei einer noch höheren Temperatur zersetzt, wodurch die Kristallinität verloren geht. Das dazugehörige Koordinationspolymer nach Entfernen des Lösungsmittels ist rechts dargestellt.

    
Sind die Hohlräume nach dem Entfernen des Solvens noch intakt (siehe Phasenumwandlung im Bild links), so erfolgen an den Proben weiterführende Untersuchungen zu Adsorptionseigenschaften und Aktivität in katalytischen Testreaktionen durch unsere Kooperationspartner (z.B. Institut für nichtklassische Chemie, Technische Chemie der Universität Leipzig).