Pyrophoric Silanes as Precursors for Photovoltaic Cells and Electronic Devices

Neuartige Raketenantriebe, druckbare Elektronik, elektronische Zeitungen, faltbare Monitore

Die in der Überschrift genannten Dinge klingen wie eine Ersatzteilliste für das Raumschiff Enterprise,  könnten jedoch schon in wenigen Jahren Realität sein. Zur Realisierung dieser Anwendungen werden derzeit große Hoffnungen auf sogenannte Silane gesetzt. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Silicium bestehen. Formal ist diese Verbindungsklasse mit den Alkanen verwandt. Allerdings unterscheiden sich die Silane in ihren Eigenschaften grundsätzlich von den Alkanen. Silane sind extrem reaktiv und zersetzen sich unter Explosion in Gegenwart von Luftsauerstoff oder Feuchtigkeitsstpuren.

Gerade diese hohe Reaktivität ermöglicht die neuartigen Anwendungen. So wird z.B. derzeit versucht Silane, bzw. Polysilane in Form von flüssigen Tinten für druckbare Elektronik bereit zu stellen. Die Zeitschrift Ceramic Tech Today berichtet über erste Erfolge auf diesem Gebiet ("Japanese group ‘prints’ amorphous silicon photovoltaic cell created using silicon inks" von Ann Spence 16.02.2011). Die Arbeitsgruppe um Tatsuya Shimoda am Japan Andvanced Institute of Science and Technology ist auf diesem Gebiet besonders aktiv (Homepage und Literaturliste von Prof. Shimoda). Die DFG förderte Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet im Rahmen des Wissenschaftlichen Netzwerks "Silane", siehe Screenshot.

Druckbare Elektronik

Mit Polysilan enthaltenden Tinten kann man elektronische Schichten und Schaltkreise auf nahezu beliebigen Substraten wie z.B. Polymerfolien oder direkt auf Verpackungen erzeugen. Denkbar werden damit intelligente Warenlabels, biegsame Displays oder elektronische Zeitungen, die aus nicht viel mehr als einer bedruckten Polymerfolie bestehen. Eine weiter mögliche Anwendung wären ultradünne Solarzellen, auch diese könnten wieder auf flexiblen Substraten erzeugt werden. 

Raketentreibstoffe

Silane und Polysilane sind hoch energetische Materialien, d.h. es sind sehr energiereiche Verbindungen. Dies kann man zur Herstellung neuartiger und noch leistungsfähiger Raketentreibstoffe nutzen. Bei Raketentreibstoffen benutzt man heute schon die gefährlichsten Stoffkombinationen die man sich vorstellen kann, z.B. flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff, die bei der Verbrennung miteinander gemischt werden. Weitere Informationen zu Raktentreibstoffen findet man bei Wikipedia. Der Preis spielt dieser Art von Treibstoffen auch nicht wirklich eine Rolle, Hauptsache man bekommt die Rakete in den Orbit. Die Silane haben gute Chancen hierbei zum Einsatz zu kommen, da sie eine sehr hohe Energiedichte aufweisen.

Explodierende Silane

Hohe Energiedichte und hohe Reaktivität bedeutet auch, dass Silane gefährliche Verbindungen sind. Die Handhabung der Silane ist außerst schwierig, da sie sich beim Zutritt von Luft oder Feuchtigkeitsspuren explosionsartig zersetzen. Auf Youtube gibt es dazu einige kleine Demostrationsvideos, die zumindest ein kleines bisschen eine Vorstellung von der Reaktivität dieser Verbindungen vermittteln:

• Reaktion von Silan mit Luft (Vorlesungsversuch)
• Silane 
• Silanexplosion Teil 2 (Chemistry going right /wrong)

Recht informativ ist das Tutorial zum sicheren Umgang mit Silanen: PDF-Dokument.

Fazit

Es sieht so aus, als hätten die Silane eine Zukunft als nützliche Verbindungsklasse vor sich. Verschiedenartige sehr vielversprechende Anwendungen werden gegenwärtig untersucht.

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Literatur:

• G. Schott: Oligo- und Polysilane und ihre Derivate, Fortschritte der Chemischen Forschung 9, 1967, 60-101.
• F. Feher, W. Tromm: Die Darstellung von Silanen aus Magnesiumsilicid und Hydrazoniumchlorid in wasserfreiem Hydrazin, Z. anorg. allg. Chem. 282, 2004, 29-40. 
• Patent Feste Polysilan-Mischungen, DE102006043929A1 von 2006 
• D. Schmidt, U. Böhme, J. Seidel, E. Kroke: Cyclopentasilane Si₅H₁₀: First single crystal X-ray structure of an oligosilane Si_xH_y and thermal analysis with TG/MS, Inorg. Chem. Commun. 35, 2013, 92-95. (DOI:10.1016/j.inoche.2013.05.023)
• Bernhard Hidding: Untersuchung der Eignung von Silanen als Treibstoffe in der Luft- und Raumfahrt, Diplomarbeit an der Universität der Bundeswehr München und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Januar 2004. Siehe auch aktuelle Publikationsliste von Bernhard Hidding auf seiner Homepage.
• eine kritische Betrachtungen zu Silanen als Raketentreibstoff bei B. Leitenberger: Chemische Raketentreibstoffe Teil 1. 
•  P. Plichta: Höhere Silane, ihre Geschichte und zukünftige Verwendung auf www.plichta.de.
•  R. Riemschneider: Silanes auf www.riemschneider.org.