Lichtblick in der Optoelektronik: Diode aus 2D-Material ermöglicht optimierte Solarzellen

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 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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Prof. Thomas Müller
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