Optoelektronische Bauteile auf der Basis einer farbstoffsensibilisierten TiO2-Solarzelle

26.04.2006

Elektronische Bauteile müssen immer kleiner werden: Die Miniaturisierung erreicht inzwischen den Maßstab von Nanometern. In dieser Zwergenwelt stößt die klassische Halbleitertechnik an ihre Grenzen. Man braucht Schalter und andere Hilfsmittel, deren Ausmaße in der Größenordnung einzelner Moleküle liegen. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Adressierbarkeit und der Kompatibilität der molekularen Systeme mit den vorhandenen nanoelektronischen Bauteilen. Bisher bekannnte molekulare Systeme brauchen alle mindestens einen Schritt, bei dem eine Lösung in das System injiziert und unter Zeitaufwand wieder ausgespült werden muss.

L. Furtado, K. Araki, H. E. Toma und ihre Mitarbeiter von der Universität São Paulo (Brasilien) beschreiben nun erstmals ein optoelektronisches molekulares Gatter, das Licht direkt aufnimmt und elektrische Impulse abgibt. Es besteht aus einer Glaselektrode, auf die ein dünner, nanokristalliner Film aus TiO2 aufgebracht wird. Daran adsorbiert ein Farbstoff, in diesem Fall ein Cluster aus drei Rutheniumpyrazincarboxylatkomplexen. Als Gegenlektrode dient eine Platinelektrode. Den Zwischenraum füllt eine Elektrolytlösung aus I 3-/I2 in CH3CN.

Unter Belichtung werden Elektronen angeregt, es kommt zur Ladungstrennung und zum Stromfluss. Dessen Richtung ändert sich in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge: Bei 350 nm wandern die Elektronen von der Pt- zur Glaselektrode, bei 420 nm in die umgekehrte Richtung.

Bei 350 nm absorbiert die TiO2-Schicht das Licht und gibt Elektronen an die darunter liegende Glaselektrode ab. Zum Ausgleich entzieht sie die entsprechende Menge an Elektronen dem Ruthenium-Cluster, das sie aus der Pt-Elektrode nachfüllt.

Bei 420 nm dagegen werden die Ruthenium-Komplexe dazu angeregt, Elektronen an die Pt-Elektrode abzugeben, den Nachschub dafür holen sie sich aus der TiO2-Schicht.

Man erhält also einen Schalter, der sich durch Licht nicht nur einfach an- oder ausschalten lässt, sondern in dem man auch die Richtung des Signals mit Hilfe der geeigneten Wellenlänge steuern kann.

Originalveröffentlichung: K. Arak et al.; "TiO2-Based Light-Driven XOR/INH Logic Gates"; Angewandte Chemie 2006, 118, No. 19, 3215-3218.

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