Österreichische Forscher haben zweidimensionale kristalline Halbleiter hergestellt. Das eröffnet auch der Photovoltaik Möglichkeiten, dünne, leichte, transparente und preiswerte Solarzellen herzustellen.
Erstmals ist es Forschern vom Institut für Photonik der Technischen Universität Wien gelungen, einen speziellen Dioden-Typ aus kristallinem Material mit einer Schichtdicke von nur drei Atomen herzustellen. „Die überragenden Eigenschaften solcher ultradünnen Kristalle eröffnen dabei ungeahnte Möglichkeiten für Solarzellen, Photodioden und Leuchtdioden“, beschreiben die Wissenschaftler den Vorteil dieser Kristalle. „Diese Ergebnisse stellen einen signifikanten Fortschritt auf dem zukünftigen Weg zur 2D-Optoelektronik dar.“ Das Projekt wurde vom österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung finanziert.
Spezifische Nachteile anderer Technologien ausgleichen
Die zwedimensionale Struktur der Kristalle haben dabei zwei Vorteile gegenüber den bisherigen Halbleiterstrukturen. Denn die kristallinen Siliziumhalbleiter bestehen in der Regel aus dreidimensionalen Kristallen. Das Problem ist, dass sie nur begrenzt flexibel und vergleichsweise schwer sind. Die alternativen Technologien wie die Dünnschichttechnologien oder die organischen Halbleiter, die versuchen, diese Defizite auszugleichen, haben allerdings eine geringe Haltbarkeit. Das können die zweidimensionalen kristallinen Halbleiter mit Materialschichten mit einer Dicke von nur einem oder wenigen Atomen ausgleichen. Zum einen können sie günstig flächig hergestellt werden und sind zum anderen auch noch flexibel. Zusätzlich weißt das Material eine Transparenz von 95 Prozent auf und kann so als Fensterglas und für Solarzellen eingesetzt werden. Trotzdem zeigen sie alle Vorteile kristallinen Materials.
Vom dreidimensionalen Kristall abgeschält
Das Forschungsergebnis der Wiener Wissenschaftler unter Leitung von Thomas Müller ist eine eine Diode mit p-n-Übergang aus solchen zweidimensionalen Kristallen. Sie legen damit die Grundlage für einen Umbruch in der Optoelektronik. Die Österreicher nutzten als Ausgangsmaterial Wolframdiselenid. „Dieses hat im Vergleich zu Graphen, dem derzeit wohl bekanntesten zweidimensional kristallinen Material, einen entscheidenden Vorteil. „Wolframdiselenid hat eine Bandlücke – Elektronen benötigen also eine gewisse Energie, um in das Leitungsband überzutreten“, erklärt Thomas Müller. „Diese Grundvoraussetzung für viele elektronische Bauelemente kann Graphen nicht so einfach bieten.“ Um das Wolframdiselenid in die zweidimensionale Form zu bekommen, haben es die Forscher von einem dreidimensionalen Kristall mechanisch abgeschält. Am Ende lag das Material mit einer Schichtdicke von nur 0,7 Nanometern vor. „Nur solch dünne Schichten weisen die geforderten Eigenschaften auf“, sagt Müller. „Wir kontrollierten anschließend mit aufwendigen Verfahren, dass uns tatsächlich zweidimensionale Kristalle gelungen waren.“ Dazu gehörten spektroskopische Anlaysen, optische Kontrastbestimmungen und Rasterkraftmikroskopie. Im Anschluss daran haben die Wiener Forscher das Wolframdiselenid zwischen zwei Elektroden platziert und das elektrische Verhalten bestimmt. Dabei konnten sie die Funktion als p-n-Diode belegen. Sie konnten sowohl positive als auch negative Ladungen injizieren. Dabei leitete die Diode wie üblich nur in eine Richtung.
Wirkungsgrad oder Transparenz
„Wolframdiselenid in einschichtig kristalliner Form ist theoretisch ein ideales Ausgangsmaterial für p-n-Dioden und die Optoelektronik – nur bewiesen hat das noch niemand“, erklärt Müller den Fortschritt seiner Forschungsgruppe. „Genau das haben wir nun getan. So konnten wir eine Effizienz von 0,5 Prozent bei der Umwandlung von Licht- in elektrische Energie messen.“ Durch das Aufschichten mehrerer der dünnen Halbleiterschichten konnten die Forscher die Effizienz noch auf bis zu zehn Prozent steigern. Das wiederum geht jedoch nur auf Kosten der Transparenz. (su)
