TU-Forscher kombinieren dünne Materialien zu Solarzelle

Seit der erstmaligen Herstellung der nur eine Atomlage dünnen Kohlenstoffschicht Graphen 2004 boomt die Forschung an ultradünnen Materialien. Wiener Forschern ist es nun gelungen, zwei jeweils nur drei Atomlagen starke Halbleitermaterialien zu kombinieren und damit eine vielversprechende Struktur für ultradünne, durchsichtige Solarzellen zu schaffen, berichten sie im Fachjournal "Nano Letters".

Problem behoben

Neben Graphen gilt Wolframdiselenid (WSe2) als Kandidat für ein weiteres zweidimensionales "Wundermaterial". Es besteht aus einer Schicht Wolfram-Atomen, die oberhalb und unterhalb mit einer Lage Selen-Atomen verbunden ist. Thomas Müller und sein Team vom Institut für Photonik der Technischen Universität (TU) Wien haben erst im Frühjahr in "Nature Nanotechnology" gezeigt, wie die photoaktiven WSe2-Kristalle als ultradünne Solarzelle genutzt werden könnten.

Das Material hat aber einen entscheidenden Nachteil: Um den Elektronenfluss in einer solchen Solarzelle zu nutzen, müsste man in Mikrometer-engen Abständen winzige Metall-Elektroden integrieren. Dies haben die TU-Forscher nun durch Kombination mit einer weiteren ultradünnen Halbleiterschicht umgangen und damit erstmals zwei atomar dünne Halbleiter-Schichten aneinandergefügt.

Molybdänisulfid als Leiter

Konkret kombinierten sie das Wolframdiselenid mit einer ebenfalls aus drei Atomlagen bestehenden Molybdändisulfid-Schicht. Wichtig dabei ist, dass sich zwischen den beiden Schichten keine anderen Moleküle befinden und den direkten Kontakt verhindern, "denn dann funktioniert die Solarzelle nicht", erklärte Müller in einer Aussendung der TU.

Die Molybdändisulfid-Schicht dient Elektronen quasi als Leiter. Wenn Licht auf ein photoaktives Material wie Wolframdiselenid fällt, werden einzelne Elektronen von ihrem Platz gelöst. An der Stelle, wo sich das Elektron befunden hat, bleibt ein Loch übrig. Sowohl das Elektron als auch das Loch können sich dann im Material frei bewegen. Damit Strom fließt, müssen Elektron und Loch aber getrennt werden, andernfalls können sie sich wieder vereinigen.

Diese Trennung gelingt durch die Kombination mit der Molybdändisulfid-Schicht. "Die Löcher bewegen sich im Wolframdiselenid, die Elektronen hingegen wandern über das Molybdändisulfid ab", sagte Müller.

300 Quadratmeter wiegen ein Gramm

Das neue Material lässt einen Teil des Lichts durch, der absorbierte Anteil wird in elektrische Energie umgewandelt. Ein Einsatzbereich wären etwa Glasfassaden, wo die Schichten-Kombination Licht durchlassen und gleichzeitig Strom erzeugen würde.

Das Material ist sehr flexibel und extrem leicht: 300 Quadratmeter des Films wiegen nur ein Gramm. Um die Energieausbeute zu erhöhen, arbeitet das Team gegenwärtig daran, mehr als zwei Schichten aufeinanderzustapeln. Dies würde dann aber auch die Transparenz reduzieren.