TU Wien Optimierte Solarzelle mit nur drei Atomlagen

Mikroskopbild von Wolframdiselenid-Proben mit Elektroden-Anschluss
Mikroskopbild von Wolframdiselenid-Proben mit Elektroden-Anschluss

Erstmals ist es Forschern an der TU Wien gelungen, einen neuartigen Diodentyp aus kristallinem Wolframdiselenid mit einer Schichtdicke von nur drei Atomen herzustellen. Die Eigenschaften solcher ultradünnen Kristalle eröffnen neuartige Möglichkeiten für Solarzellen, Fotodioden und LEDs.

Halbleiter bestehen derzeit meist aus kristallinem Silizium. Stand der Technik sind dabei 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 einem Atom oder nur wenigen Atomen. Sie lassen sich günstig flächig herstellen und sind flexibel, zeigen aber trotzdem alle Vorteile kristallinen Materials. Jetzt ist es einem Team des Instituts für Photonik der Technischen Universität Wien unter Prof. Thomas Müller (Bild 1) erstmals gelungen, eine Diode mit pn-Übergang aus solchen 2-D-Kristallen zu produzieren. Dies stellt nach Ansicht der Forscher einen signifikanten Fortschritt auf dem zukünftigen Weg zur 2-D-Optoelektronik dar. Experimente zeigen, dass dieses Material geeignet ist, um hauchdünne, biegsame Solarzellen anzufertigen. Sogar biegsame Displays sollen möglich werden. Die Arbeit wurde jetzt in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Das Ausgangsmaterial des Teams um Prof. Thomas Müller war dabei Wolframdiselenid (WSe2). Dieses hat im Vergleich zum derzeit wohl bekanntesten 2-D-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«, erläutert Prof. Müller. WSe2 besteht aus einer Schicht Wolframatome, die oberhalb und unterhalb mit Selenatomen verbunden sind. Das Material absorbiert Licht, ähnlich wie Graphen – in Wolframdiselenid lässt sich damit allerdings elektrische Leistung generieren.

Damit WSe2 für die weitere Arbeit des Teams tatsächlich in Form einer 2-D-Schicht vorlag, wurde es von dreidimensionalen Kristallen mechanisch so »abgeschält«, dass Schichten von nur 0,7 nm Dicke entstanden. »Wir kontrollierten anschließend mit aufwendigen Verfahren, dass uns tatsächlich 2-D-Kristalle gelungen waren. Denn nur solch dünne Schichten weisen die geforderten Eigenschaften auf«, so Prof. Müller. Spektroskopische Analysen, optische Kontrastbestimmungen und Rasterkraftmikroskopie bestätigten das gewünschte Ergebnis.

Das einschichtige WSe2 wurde dann zwischen zwei Elektroden platziert und das elektrische Verhalten näher bestimmt. Dabei konnte die Funktion als pn-Diode eindeutig belegt werden: Sowohl positive (p, Löcher) als auch negative (n, Elektronen) Ladungen konnten injiziert werden, wobei die Stromleitung, wie in einer Diode üblich, ausschließlich in eine Richtung erfolgte.

Wirkungsgrad um die 10 Prozent

Weil die Schicht so extrem dünn ist, lässt sie 95 Prozent des Lichts durch, doch von den verbleibenden fünf Prozent an Lichtleistung, die das Material absorbiert, kann ein Zehntel in elektrische Leistung umgewandelt werden. Der interne Wirkungsgrad des Materials ist mit 10 Prozent somit relativ hoch. Will man einen größeren Anteil des einfallenden Lichtes nutzen, könnte man mehrere dieser ultradünnen Schichten übereinander packen. Doch die hohe Transparenz ist manchmal durchaus gewünscht: »Wir können uns etwa Solarzellen-Schichten auf Glasfassaden vorstellen, die das meiste Licht ins Gebäude lassen und trotzdem Elektrizität generieren«, meint Thomas Müller. »Wir erhoffen uns damit eines Tages dünne, flexible Displays, oder auch großflächig-diffuse Raumbeleuchtung«.

Auch die Funktion als Fotodiode 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.