Forschern gelang Kombination ultradünner Materialien zu Solarzellen

4. August 2014, 14:41
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Durch Aneinanderfügen von jeweils nur drei Atomlagen starken Halbleitermaterialien entsteht vielversprechende Struktur für Solarzellen

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

Erster Erfolg im Frühjahr

Auch Wolframdiselenid (WSe2) erfuhr in den vergangenen Jahren zunehmende Aufmerksamkeit in der Materialforschung: 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 konnten erst im Frühjahr in "Nature Nanotechnology" zeigen, 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 ultradünne Halbleiter-Schichten aneinandergefügt.

Molybdändisulfid 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", so Thomas Müller in einer Aussendung der TU. Denn dann funktioniert die Solarzelle nicht.

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", erklärt Müller.

Exrtrem flexibel und leicht

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 nun daran, mehr als zwei Schichten aufeinanderzustapeln. Dies würde allerdings auch die Transparenz reduzieren. (APA/red, derStandard.at, 4.8.2014)

  • Das Schichtsystem der Solarzelle: Innen die beiden Halbleiter, darüber und darunter befinden sich elektrische Kontakte.
    foto: tu wien

    Das Schichtsystem der Solarzelle: Innen die beiden Halbleiter, darüber und darunter befinden sich elektrische Kontakte.

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