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Diode aus 2D-Material ermöglicht optimierte Solarzellen
Wien (tu) - Erstmals ist es gelungen, einen speziellen Dioden-Typ aus kristallinem Material mit einer Schichtdicke
von nur drei Atomen herzustellen. Die überragenden Eigenschaften solcher ultra-dünnen Kristalle eröffnen
dabei ungeahnte Möglichkeiten für Solarzellen, Photodioden und Leuchtdioden. Die jetzt in Nature Nanotechnology
veröffentlichte Arbeit belegt dabei nicht nur die eigentliche Funktionalität einer sogenannten p-n-Diode
aus Wolframdiselenid, sondern demonstriert bereits ihre Verwendbarkeit für zahlreiche Anwendungen. Diese Ergebnisse
eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF stellen einen signifikanten Fortschritt auf dem zukünftigen Weg
zur 2D-Optoelektronik dar.
Elektronische Geräte benötigen Halbleiter. Hergestellt werden diese meist aus kristallinem Silizium.
State of the Art ist dabei die Verwendung dreidimensionaler Kristalle, die jedoch geringe Flexibilität mit
hohem Gewicht vereinen - und zusätzlich teuer herzustellen sind. Alternative Ansätze - organische Halbleiter
und Dünnfilmtechnologien - resultieren wiederum in Materialien mit minderer Qualität und Haltbarkeit.
Bessere Erfolgsaussichten bieten zweidimensionale (2D-)Kristalle - kristalline Materialschichten mit einer Dicke
von nur einem oder wenigen Atomen. Sie können günstig flächig hergestellt werden und sind flexibel,
zeigen aber trotzdem alle Vorteile kristallinen Materials. Jetzt ist es einem Team des Instituts für Photonik
der Technischen Universität Wien erstmals gelungen, eine Diode mit p-n-Übergang aus solchen 2D-Kristallen
zu produzieren - und damit die Grundlage für einen Umbruch in der Optoelektronik zu legen.
Ergebnis mit Lücke
Das Ausgangsmaterial des Teams um Prof. Thomas Müller war dabei Wolframdiselenid (WSe2). Dieses hat im Vergleich
zum derzeit wohl bekanntesten 2D-kristallinen Material, Graphen, einen entscheidenden Vorteil, wie Prof. Müller
erläutert: "Wolframdiselenid hat eine Bandlücke - Elektronen benötigen also eine gewisse Energie,
um in das Leitungsband überzutreten. Diese Grundvoraussetzung für viele elektronische Bauelemente kann
Graphen nicht so einfach bieten." Damit WSe2 für die weitere Arbeit des Teams tatsächlich in Form
einer 2D-Schicht vorlag, wurde es von dreidimensionalen Kristallen mechanisch so "abgeschält", dass
Schichten von nur 0,7 Nanometer Dicke entstanden. Dazu Prof. Müller: "Wir kontrollierten anschließend
mit aufwendigen Verfahren, dass uns tatsächlich 2D-Kristalle gelungen waren. Denn nur solch dünne Schichten
weisen die geforderten Eigenschaften auf." Spektroskopische Analysen, optische Kontrastbestimmungen und Rasterkraftmikroskopie
bestätigten das gewünschte Ergebnis. Das einschichtige WSe2 wurde dann zwischen zwei Elektroden platziert
und das elektrische Verhalten näher bestimmt. Dabei konnte die Funktion als p-n-Diode eindeutig belegt werden:
Sowohl positive (p, Löcher) als auch negative (n, Elektronen) Ladungen konnten injiziert werden, wobei die
Stromleitung, wie in einer Diode üblich, ausschließlich in eine Richtung erfolgte.
Dünner Erfolg
"WSe2 in einschichtig kristalliner Form ist theoretisch ein ideales Ausgangsmaterial für p-n-Dioden und
die Optoelektronik - nur bewiesen hat das noch niemand. Genau das haben wir nun getan. So konnten wir eine Effizienz
von 0,5 Prozent bei der Umwandlung von Licht- in elektrische Energie messen", erläutert Prof. Müller
die weltweit erste Demonstration der photovoltaischen Eigenschaften eines 2D-kristallinen Materials. Die hohe Transparenz
von 95 Prozent macht dabei sogar den gleichzeitigen Einsatz als Fensterglas und Solarzelle möglich. Es können
aber auch mehrere solcher ultra-dünnen Schichten übereinander gepackt werden, um so die Effizienz - natürlich
auf Kosten der Transparenz - auf bis zu 10 Prozent zu steigern.
Auch die Funktionalität als Photodiode wurde nachgewiesen und dabei eine um eine Größenordnung
höhere Empfindlichkeit erreicht, als sie Graphen aufweist. Ergänzt werden diese Eigenschaften durch die
Fähigkeit, elektrische Energie in Licht umzuwandeln.
Insgesamt belegen die Ergebnisse dieses FWF-Projekts beeindruckend, dass WSe2 überragende optoelektronische
Eigenschaften besitzt, die neue Möglichkeiten für Solarzellen, Photodioden und Leuchtdioden schaffen.
Originalpublikation:
A. Pospischil, M. M. Furchi, und T. Mueller, Solar-energy conversion and light emission in an atomic monolayer
p-n diode, Nature Nanotechnology (2014), http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.14
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