Eine neue Halbleiternanofaser könnte die Effektivität von Solarzellen deutlich erhöhen.

Ein Team der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) entwickelte eine neuartige Nanostruktur, die in eine Halbleiternanofaser eingebettet ist und zu einer hervorragenden Leitfähigkeit führt. Der Nanokomposit befasst sich mit einem Schlüsselinhibitor für die Leitfähigkeit, der ein breites Anwendungsspektrum verbessern könnte, von Batterien und Solarzellen bis hin zu Luftreinigungsgeräten.

Während Halbleiter weit verbreitet sind, wurde ihre Wirksamkeit durch den natürlichen Prozess der photogenerierten Elektronen bei der Rekombination mit „Löchern“ oder potenziellen Elektronenruhepunkten eingeschränkt. Dadurch wird der Bewegungsstrom von Elektronen, die durch Licht oder externe Energie erzeugt werden, reduziert und damit der Wirkungsgrad des Geräts reduziert. Die Fakultät für Maschinenbau der PolyU hat eine Verbundnanofaser entwickelt, die im Wesentlichen eine eigene Autobahn für den Elektronentransport bereitstellt, sobald sie erzeugt wurde, wodurch das Problem der Rekombination von Elektronenlöchern beseitigt wird.

Die Innovation wurde an der 45. Internationalen Erfindermesse in Genf 2017 mit der Goldmedaille und den Glückwünschen der Jury ausgezeichnet.

Das Team vermeidet Rekombinationen, indem es eine hochleitfähige Nanostruktur aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen in eine Titandioxid (TiO2)-Verbundnanofaser einbringt. Die Elektronen und Ladungen können bereits bei der Erzeugung im Graphenkern effizient transportiert werden, bevor sie sich mit den „Löchern“ in der Nanofaser rekombinieren. Unter der Leitung von Wallace Leung hat das Team die Wirksamkeit des Nanokomposits in Solarzellen und Luftreinigungs-Photokatalysatoren getestet.

Sie betteten den Nanokomposit in die TiO2-Komponente von farbstoffsensibilisierten und von Perowskit-basierten Solarzellen ein, die als Alternative zu herkömmlichen siliziumbasierten Solarzellen untersucht werden. Der Nanokomposit steigerte die Energieumwandlungsrate der Solarzellen um 40 Prozent auf 66 Prozent.

TiO2-Nanopartikel sind das am häufigsten verwendete Photokatalysatormaterial in handelsüblichen Luftreinigungs- oder Desinfektionsgeräten. TiO2 kann jedoch nur durch ultraviolettes Licht aktiviert werden, was seine Wirksamkeit in Innenräumen deutlich beeinträchtigt. Es ist auch unwirksam bei der Umwandlung von Stickoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO2) mit einer Rate von weniger als 10 Prozent.

Als die Nanostruktur von PolyU in einen Photokatalysator eingebettet wurde, bot sie eine Graphen-Autobahn für den schnelleren Transport von Elektronen, um Superanionen zur Oxidation absorbierter Schadstoffe, Bakterien und Viren zu erzeugen. Der Graphenkern vergrößerte auch die Oberfläche, die für die Lichtabsorption und das Einfangen schädlicher Moleküle freigelegt wurde, signifikant. Außerdem wurde mehr Lichtenergie über alle Wellenlängen gewonnen. Die Halbleiternanofaser wandelte etwa 70 Prozent von NO in NO2 um, siebenmal mehr als reine TiO2-Nanopartikel.

Sie testeten auch, wie gut ihre Nanostruktur Formaldehyd abbauen kann, eine unangenehme flüchtige organische Verbindung, die häufig in neuen oder renovierten Gebäuden und neuen Autos vorkommt. Der eingebettete Graphen-Photokatalysator von PolyU konnte erneut dreimal mehr Formaldehyd abbauen als TiO2-Nanopartikel ohne die zusätzliche Nanostruktur.

Das neue Nanokomposit bietet eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. die Wasserstofferzeugung durch Wasserspaltung, biologisch-chemische Sensoren mit erhöhter Geschwindigkeit und Empfindlichkeit sowie Lithium-Batterien mit geringerer Impedanz und erhöhter Speicherung.

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