Transistor ist seine eigene Stromquelle »Solaristor« braucht nur die Sonne

Eine neue Klasse von Bauelementen, die »Solaristors«, kombinieren Energy Harvesting über Licht mit einem Transistor.
Eine neue Klasse von Bauelementen, die »Solaristors«, kombinieren Energy Harvesting über Licht mit einem Transistor.

Ein neuer Transistor erntet seine Energie gleich selbst: Licht genügt ihm zum Arbeiten, Batterien oder externe Stromquellen können wegfallen.

Forscher des Catalan Institute of Nanoscience und Nanotechnlogy (ICN2) um Amador Pérez-Tomás haben eine neue Transistorstruktur entwickelt: Es ist keine äußere Spannung erforderlich, um zwischen Drain und Source Strom fließen zu lassen. Dazu haben sie eine ferroelektrische Oxidschicht mit einem organischen Halbleiter kombiniert.

Das Ergebnis ist ein kostengünstiger, sich selbstversorgender nichtflüchtiger Phototransistor, der zwischen stabilen An- und Aus-Zuständen bei geringer Energieaufnahme hin- und herschalten kann. Damit ließen sich kostengünstige Photodetektoren, Smart Windows, flexible Messgeräte und optische Speicher aufbauen – und das mit Hilfe kostengünstig produzierter Transistoren. Hier würden also die Vorteile einer Solarzelle mit denen eines Transistors kombiniert: Dieses völlig neue Bauelement, das Amador Pérez-Tomás auf den Namen »Solaristor« getauft hat, ist nicht größer als eine Zelle in Lebewesen. Für seine Fertigung sei noch nicht einmal ein Reinraum erforderlich, was für geringe Fertigungskosten sorge.

Das hat in der Wissenschaftsgemeinde bereits für Aufsehen gesorgt: Den Aufsatz von Amador Pérez-Tomás und seiner Gruppe verzeichnet Wiley-VHC bereits unter den »Hot Topics«.

Bisher stand dem Aufbau eines direkt über den photoelektrischen Effekts betriebenen Transistors entgegen, dass herkömmliche Schottky- oder pn-Junctions nicht schalten. Die Eigenschaften ferroelektrischer Materialien lassen es aber doch zu, Schalteigenschaften einzubringen und so aus einer Diode einen Transistor zu machen. Das ferroelektrische Material fungiert als reversibles, polarisierbares Medium. Es steuert den Strom in der organischen Heterojunction-Schicht.

Der Aufbau besteht im Grunde aus einem Photo-Feldeffekt-Transistor, der sich über Licht steuern lässt und sandwichartig in eine vertikal aufgebaute Struktur mit zwei Anschlüssen integrieren ist.

Bisher flossen aber nur sehr schwache Ströme im Bereich von nA oder µA/cm-2. In Kombination mit organischen Halbleitern konnten sie den Stromfluss aber deutlich steigern, wie die Forscher in ihrem Aufsatz »A Solar Transistor and Photoferroelectric Memory« in Advanced Functionbal Materials beschreiben.

Damit wollen sie eine ganz neue Klasse kompakter Phototransistoren mit zwei Anschlüssen entwickelt haben. In ihrem Aufsatz beschreiben die Forscher einen normally-off Phototransistor ohne eigenes Gate. Weil der Transistor normalerweise ausgeschaltet ist – eines der Kernelemente des »Solaristors« –, begnügt er sich mit einer geringen Energieaufnahme. Den Elektronenfluss steuert der Polarisationszustand der eingebetteten ferroelektrischen Oxidschicht. Die organische Heterojunction-Struktur setzt die Photonenenergie in die Erzeugung von Exitonen um und trennt sie in Elektronen und Löcher.  Für die Funktion sind also nur zwei Elektroden erforderlich, die Rolle der Gate-Elektrode übernimmt das Licht. Dieser »Solaristors«, so schreiben die Forscher, kombiniere also die Eigenschaften einer Photodiode mit den nichtflüchtigen Eigenschaften eines ferroelektrischen Speichers, der über Anlegen einer Spannung geschrieben und nichtzerstörend über Licht ausgelesen werden könne.