Die molekulare Funktionalisierung von Grenzflächen ist eine wirkungsvolle Strategie, die bereits bei verschiedenen Energieumwandlungstechnologien verfolgt wird, etwa bei farbstoffsensibilisierten Solarzellen, polymergeschützten Elektroden in Batterien, Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen und moleküldekorierten Elektroden in photoelektrochemischen Zellen.
Perspektivisch gesehen sind Energieumwandlungssysteme mit molekularen Komponenten, wie sie in der organischen Photovoltaik (OPV) oder organischen LEDs (OLEDs), molekularen Photokatalysatoren oder organischen und Hybridbatterien zum Einsatz kommen, vielversprechende Ansätze, um die Gesamtgeräte- und Energiekosten (und damit die Energieamortisationszeit) zu senken und skalierbare und nachhaltigere Bauelemente zu implementieren. Molekular funktionalisierte Grenzflächen ermöglichen eine größtmögliche strukturelle Spezifizierung atomarer Abstände, räumliche Anordnungen im Nanobereich und einen enormen Spielraum einstellbarer physikalischer Eigenschaften. Diese Fähigkeit ergibt sich zum einen aus der Möglichkeit, molekulare Bausteine wie Liganden, molekulare Katalysatoren, Lichtsammelantennen oder molekulare Linker mit absoluter atomistischer Definition und genau definierten Eigenschaften zu bauen, und zum anderen aus der Fähigkeit, solche funktionalen Bausteine in kontrollierten räumlichen und präzise ausgerichteten Beziehungen zusammenzusetzen, die zu zielgerichteten physikalischen Wechselwirkungen wie Lichtsammlung, katalytischer Aktivität oder Ladungstransfer führen.
Zu den aktuellen Herausforderungen organisch modifizierter und hybrider Materialsysteme für die Energieumwandlung gehören ihre begrenzte Langzeitstabilität und Effizienz. Da molekulare Systeme während der Energieumwandlung häufig durch hoch angeregte Zustände gehen, gibt es typischerweise mehrere Relaxationskanäle, von denen einige im Laufe der Zeit zur Zerstörung des Materials führen können (wie etwa die Photooxidation von Photokatalysatoren). Effizienzeinschränkungen ergeben sich vor allem aus unzureichender elektronischer Kopplung zwischen molekularen Reaktionspartnern und anorganischen Gerätekomponenten sowie einer geringen Volumendichte der aktiven molekularen Einheiten. Ineffiziente Kopplung an anorganische Komponenten und Beschränkungen aufgrund geringer Dichte finden sich vor allem bei biologischen oder biomimetischen Bausteinen, die ansonsten eine äußerst attraktive, kostengünstige, nachhaltige und hochfunktionalisierte Klasse molekularer Komponenten darstellten.
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