Atomar dünne Solarzellen

Elektronische Geräte benötigen Halbleiter, meist aus kristallinem Silizium bestehend. State-of-the-Art ist dabei die Verwendung dreidimensionaler Kristalle, die jedoch geringe Flexibilität mit hohem Gewicht vereinen – und zusätzlich teuer herzustellen sind. Alternative Ansätze – organische Halbleiter und Dünnfilmtechnologien – resultieren wiederum in Materialien mit minderer Qualität und Haltbarkeit. Bessere Erfolgsaussichten bieten zweidimensionale Kristalle – kristalline Materialschichten mit einer Dicke von nur einem oder wenigen Atomen. Sie lassen sich günstig herstellen, sind flexibel, zeigen aber trotzdem alle Vorteile kristallinen Materials. Jetzt ist es Forschern am Institut für Photonik der Technischen Universität Wien erstmals gelungen, eine Diode mit p-n-Übergang aus solchen 2D-Kristallen zu produzieren – und damit die Grundlage für einen Umbruch in der Optoelektronik zu legen.

Das Ausgangsmaterial des Teams um Müller war dabei Wolframdiselenid WSe₂. Dieses hat im Vergleich zum derzeit wohl bekanntesten 2D-kristallinen Material, Graphen, einen entscheidenden Vorteil: Wolframdiselenid hat eine Bandlücke – Elektronen benötigen also eine gewisse Energie, um in das Leitungsband überzutreten. Diese Grundvoraussetzung für viele elektronische Bauelemente kann Graphen nicht so einfach bieten. Damit WSe₂ in Form einer 2D-Schicht vorlag, wurde es von dreidimensionalen Kristallen mechanisch so „abgeschält“, dass Schichten von nur 0,7 Nanometer Dicke entstanden. Das einschichtige WSe₂ wurde dann zwischen zwei Elektroden platziert und das elektrische Verhalten näher bestimmt. Dabei konnte die Funktion als p-n-Diode eindeutig belegt werden: Sowohl positive als auch negative Ladungen ließen sich injizieren, wobei die Stromleitung, wie in einer Diode üblich, ausschließlich in eine Richtung erfolgte.

„WSe₂ in einschichtig kristalliner Form ist theoretisch ein ideales Ausgangsmaterial für p-n-Dioden und die Optoelektronik – nur bewiesen hat das noch niemand. Genau das haben wir nun getan. So konnten wir eine Effizienz von 0,5 Prozent bei der Umwandlung von Licht- in elektrische Energie messen“, erläutert Müller die weltweit erste Demonstration der photovoltaischen Eigenschaften eines 2D-kristallinen Materials. Die hohe Transparenz von 95 Prozent macht dabei sogar den gleichzeitigen Einsatz als Fensterglas und Solarzelle möglich. Es können aber auch mehrere solcher ultra-dünnen Schichten übereinander gepackt werden, um so die Effizienz – natürlich auf Kosten der Transparenz – auf bis zu 10 Prozent zu steigern.

Auch die Funktionalität als Photodiode wurde nachgewiesen und dabei eine um eine Größenordnung höhere Empfindlichkeit erreicht, als sie Graphen aufweist. Ergänzt werden diese Eigenschaften durch die Fähigkeit, elektrische Energie in Licht umzuwandeln. Ergebnisse an der University of Washington in Seattle mit Beteiligung von Philip Klement, Physikstudent der Justus-Liebig-Universität Gießen, sowie von einer Gruppe am MIT bestätigten dies. Klement forscht in der AG Nanotechnologische Materialien von Martin Eickhoff an den optischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanodrähten. Im akademischen Jahr 2012/13 hat er über eine vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) geförderte Internationale Studien- und Ausbildungspartnerschaft (ISAP) der JLU die University of Washington in Seattle für zwei Semester besucht. Dort wirkte er an den Experimenten zu den 2D-Kristallen mit.

FWF / JLU / OD