Materialforschung

Atomar dünne Solarzellen

Ultradünne Schichten aus Wolfram und Selen wurden an der TU Wien hergestellt. Messungen zeigen, dass sie als semi-transparente, flexible Solarzellen eingesetzt werden können.

Mikroskopbild von WSe2-Proben mit Elektroden-Anschluss. (Bild: TU Wien)

Dünner geht es wirklich nicht mehr: Nur aus einer einzigen Atomlage besteht das Kohlenstoff-Material Graphen, das ganz besondere elektronische Eigenschaften aufweist. Nun zeigt sich, dass auch andere Materialien, wenn man sie in einer einzelnen oder in ganz wenigen Atomschichten anordnet, aufregende neue technologische Möglichkeiten eröffnen. An der TU Wien konnte nun erstmals eine Diode aus Wolframdiselenid hergestellt werden. Experimente zeigen, dass dieses Material geeignet ist, um hauchdünne, biegsame Solarzellen anzufertigen. Sogar biegsame Displays sollen möglich werden.

Ganz neue Materialeigenschaften bei dünnen Schichten
Spätestens seit 2010 der Physik-Nobelpreis für die Herstellung von Graphen vergeben wurde, galten die "zweidimensionalen Kristalle" aus Kohlenstoffatomen als große Zukunftshoffnung der Materialforschung. Im Jahr 2013 wurde die Graphen-Forschung von der EU als Flaggschiff-Projekt ausgewählt und mit einer Milliarde Euro gefördert. Graphen hält enormen mechanischen Kräften stand und es hat wunderbare elektro-optische Eigenschaften: Mit Graphen als Lichtdetektor kann man in winzigen Sekundenbruchteilen optische Signale in elektrische Signale umwandeln.

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Eine wichtige, damit eng verwandte Anforderung kann Graphen allerdings nicht erfüllen: Es ist nicht als Solarzelle verwendbar. "Die elektronischen Zustände in Graphen sind für den Einsatz als Solarzelle nicht besonders gut geeignet", erklärt Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien. Er begann mit seinem Team daher, andere Materialien zu untersuchen, aus denen sich ähnlich wie Graphen ultradünne Schichten aus nur einer oder aus wenigen Atomlagen herstellen lassen, die aber noch bessere elektronische Eigenschaften aufweisen.

Die Wahl fiel auf Wolframdiselenid: Es besteht aus einer Schicht Wolfram-Atome, die oberhalb und unterhalb mit Selen-Atomen verbunden sind. Das Material absorbiert Licht, ähnlich wie Graphen - in Wolframdiselenid lässt sich damit allerdings elektrische Leistung generieren.

Die dünnsten Solarzellen der Welt
Weil die Schicht so extrem dünn ist, lässt sie 95 % des Lichts durch, doch von den verbleibenden 5 % an Lichtleistung, die vom Material absorbiert wird, kann ein Zehntel in elektrische Leistung umgewandelt werden. Der interne Wirkungsgrad des Materials ist 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.

Herkömmliche Solarzellen sind heute meist aus Silicium, sie sind relativ dick und unflexibel. Auch organische Materialien werden für opto-elektronische Anwendungen eingesetzt, doch sie altern schnell. "Ein großer Vorteil der zweidimensionalen Strukturen aus einzelnen Atomlagen ist, dass sie kristallin sind. Kristallstrukturen verleihen Stabilität", erklärt Thomas Müller.

Die Wolframdiselenid-Schicht kann nicht nur Sonnenlicht in Strom umwandeln, sie kann auch umgekehrt mit Hilfe von Stromzufuhr zum Leuchten gebracht werden. "Wir erhoffen uns damit eines Tages dünne, flexible Displays, oder auch großflächig-diffuse Raumbeleuchtung", sagt Thomas Müller.

International kompetitives Feld
Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten an der TU Wien wurden nun im renommierten Fachjournal "Nature Nanotechnology" veröffentlicht. Wie kompetitiv die Forschung in diesem Bereich ist, zeigt sich daran, dass in der selben Ausgabe des Journals auch noch zwei andere Beiträge veröffentlicht wurden, in denen ganz ähnliche Ergebnisse präsentiert werden: Auch am MIT (Cambridge, USA) und der University of Washington (Seattle, USA) hat man das Potenzial von Wolframdiselenid erkannt und kam zeitgleich zu analogen Ergebnissen. Kein Zweifel: So wie die Graphen-Forschung heute an vielen Forschungsinstituten auf der ganzen Welt ihren festen Platz hat, werden auch Materialien wie Wolframdiselenid in der Materialwissenschaft weltweit eine wichtige Rolle spielen.

Rückfragehinweis:
Prof. Thomas Müller
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 27-29
1040 Wien
thomas.mueller@tuwien.ac.at

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