Ultradünne Hableiterschichten miteinander kombiniert Vielversprechende neue Struktur für Solarzellen?

Das Forschungsteam erhofft sich, eine neue Solarzellentechnologie zu begründen: Marco Furchi, Thomas Müller, Andreas Pospischil (von links))
Das Forschungsteam erhofft sich, eine neue Solarzellentechnologie zu begründen: Marco Furchi, Thomas Müller, Andreas Pospischil (von links))

Durchsichtige, hauchdünne, biegsame Solarzellen könnten bald Wirklichkeit werden. An der TU Wien gelang es, eine neuartige Halbleiterstruktur aus zwei ultradünnen Atomschichten herzustellen, die Solarzellen revolutionieren könnte.

Die Forscher an der TU Wien haben zwei unterschiedliche Halbleiter-Materialien kombiniert, die jeweils aus nur drei Atomlagen bestehen. Das Forschungsteam erhofft sich damit, eine neue Solarzellentechnologie zu begründen.

Schon vor einigen Monaten war es an der TU Wien gelungen, eine ultradünne Schicht des photoaktiven Kristalls Wolframdiselenid zu produzieren. Durch die jetzt erfolgreiche Kombination mit einer zweiten Schicht aus Molybdändisulfid ergibt sich nach Angaben der Wissenschaftler ein Material, das großflächig als Solarzelle einsetzbar ist. Das neue Material lässt einen großen Teil des Lichts durch, der absorbierte Anteil wird in elektrische Energie umgewandelt. Man könnte es etwa auf Glasfassaden einsetzen, wo es Licht durchlassen und trotzdem Strom erzeugen würde. Weil es nur aus wenigen Atomlagen besteht, ist das Material extrem leicht. 300 m2 des Films wiegen etwa ein Gramm. Und es ist sehr flexibel.

Ultradünne Materialien, die nur aus einer oder wenigen Atomlagen bestehen, sind in der Materialwissenschaft derzeit ein blühendes Hoffnungsgebiet.

Zwei Schichten mit unterschiedlichen Aufgaben

Wolframdiselenid ist ein Halbleiter, der aus drei Atomschichten besteht. In der Mitte befindet sich eine Lage von Wolfram-Atomen, die oberhalb und unterhalb der Schicht durch Selen-Atome verbunden sind. »Bereits vor einigen Monaten konnten wir demonstrieren, dass Wolframdiselenid geeignet ist, um elektrischen Strom aus Licht zu erzeugen«, sagt Thomas Müller, der mit seinen Mitarbeitern Marco Furchi und Andreas Pospischil die vielversprechenden neuen Strukturen untersucht.

Allerdings müsste man beim Bau einer Solarzelle aus reinem Wolframdiselenid in Mikrometer-engen Abständen winzige Elektroden in das Material einbauen. Durch die Kombination mit einem weiteren Material (Molybdändisulfid, das ebenso aus drei Atomlagen besteht) ist das nun nicht mehr nötig. Somit lässt sich das Schichtsystem als großflächige Solarzelle einsetzen.

Wenn Licht auf ein photoaktives Material fällt, dann werden einzelne Elektronen von ihrem Platz gelöst. Übrig bleiben ein bewegliches Elektron sowie ein Loch an der Stelle, wo sich das Elektron vorher befunden hat. Sowohl das Elektron als auch das Loch kann im Material »herumwandern« - zum Stromfluss können beide allerdings nur dann beitragen, wenn sie voneinander getrennt werden, sodass sie sich nicht wieder miteinander vereinen. Um diese Rekombination von negativ geladenen Elektronen mit positiv geladenen Löchern zu verhindern, kann man entweder Elektroden verwenden, über die man die Ladungsträger absaugt, oder man benutzt dafür eine zweite Materialschicht. »Die Löcher bewegen sich im Wolframdiselenid, die Elektronen hingegen wandern über das Molybdändisulfid ab«, erklärt Müller. Damit sei die Rekombinations-Gefahr gebannt. Um diesen Effekt zu ermöglichen, müssen die Energien der Elektronen in den beiden Schichten optimal angeglichen werden, was im Experiment durch ein elektrostatisches Feld geschieht. Florian Libisch und Prof. Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien konnten mit Computersimulationen berechnen, wie sich die Energie der Elektronen in den beiden Materialien ändert und bei welchen Spannungen eine optimale Ausbeute an elektrischer Leistung zu erwarten ist.

Die Schichten atomar flach aufbringen

»Eine der größten technischen Herausforderungen war es dann, die beiden Materialien atomar flach aufeinander aufzubringen«, erklärt Thomas Müller. »Wenn sich zwischen den beiden Schichten noch andere Moleküle verstecken, so dass kein direkter Kontakt gegeben ist, dann funktioniert die Solarzelle nicht.« Gelöst hat man diese Herausforderung schließlich, indem man beide Schichten zunächst in Vakuum ausheizte und dann in gewöhnlicher Atmosphäre zusammenfügte. Wasser zwischen den beiden Lagen konnte durch nochmaliges Ausheizen aus dem Schichtsystem entfernt werden.

Um eine höhere Energieausbeute auf Kosten reduzierter Transparenz zu erreichen, arbeitet das Team gegenwärtig auch daran, mehr als zwei Schichten aufeinander zu stapeln.