Forschern ist es gelungen, aus winzigen Polystyrol-Kügelchen mit einem einfachen elektrochemischen Verfahren „Seeigel“ zu züchten, Hohlkörper mit Stacheln aus Zinkoxid-Nanodrähten. Deren strukturierte Oberfläche könnte zukünftig Photovoltaikanwendungen effizienter machen.
Verfahren, die Werkstoffe mit neuen Eigenschaften ausrüsten, sind in der Regel oft kompliziert und daher schwierig zu reproduzieren. Doch es gibt auch Ausnahmen. Eine davon entwickelten Jamil Elias und Laetitia Philippe von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Thun. Ihre neue Methode liefert trotz preislich günstiger Ausgangsmaterialien und ohne teure Instrumente hervorragende Ergebnisse, die vor allem der Photovoltaik zugute kommen könnten.
Gerüst aus „Allerweltskunststoff“ Polystyrol
Die Wissenschaftler nutzten Polystyrol-Kügelchen als eine Art Gerüst, um dreidimensionale Strukturen von halbleitenden Zinkoxid-Nanodrähten auf Oberflächen zu erzeugen. Das Prinzip ist einfach: Kügelchen aus Polystyrol von wenigen Mikrometern Durchmesser werden auf eine leitfähige Schicht aufgebracht und ordnen sich dort in regelmäßigen Mustern. Polystyrol ist preisgünstig und allgegenwärtig; es taucht in Verpackungsmaterial wie Joghurtbechern auf oder – in geschäumter Variante – in Dämmstoffen wie Styropor oder Sagex.
Nanodrähte als „Stacheln“
Elias ist es nun mit einer eigens entwickelten elektrochemischen Methode gelungen, Leitfähigkeit und elektrolytische Eigenschaften der Polystyrol-Kügelchen so zu variieren, dass sich Zinkoxid auf der Oberfläche der Kügelchen ablagert. Mit der wachsen so gleichmäßige Nanodrähte darauf. Sobald diese „Stacheln“ gezüchtet sind, wird das Polystyrol zerstört. Was bleibt, sind sphärische Gebilde, die aussehen wie Seeigel und innen hohl sind. Auf der Oberfläche dicht gepackt, verleihen die „Seeigel“ der Schicht eine dreidimensionale Struktur; ihre Fläche hat sich um ein Mehrfaches vergrößert.
Hohlkörper für die Photovoltaik
Die Forscher sind überzeugt, dass sich die so entstandenen regelmäßig „rauen“ Oberflächen für viele elektronische und optoelektronische Anwendungen eignen, zum Beispiel für Solarzellen, aber auch für Kurzwellenlaser, Leuchtdioden und Feldemissionsdisplays. Besonders gut geeignet wäre die nanostrukturierte Oberfläche für Photovoltaikanwendungen. Denn die Oberfläche besitzt ausgezeichnete Lichtstreuungseigenschaften und kann deshalb deutlich mehr Sonnenlicht absorbieren und Strahlungsenergie effizienter umwandeln.
(Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 30.07.2010 – NPO)
