Atomar dünne Solarzellen und LEDs

Sie sind etwa zehntausendmal feiner als ein menschliches Haar: Zweidimensionale Kristalle gehören zu den dünnsten Materialien der Welt, denn sie werden aus nur einer oder wenigen Atomlagen aufgeschichtet. Da sie zudem halbleitende Eigenschaften besitzen, könnte man aus ihnen elektronische Bauteile fertigen, die besonders leicht und flexibel sind. Gleich zwei internationale Forscherteams haben nun unabhängig voneinander gezeigt, dass sich 2D-Kristalle aus Wolframdiselenid für die Herstellung hauchdünner Leuchtdioden oder Solarzellen eignen. Sogar biegsame Displays seien damit möglich, berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“.

Wolframdiselenid besteht aus einer Schicht von Wolframatomen, die oberhalb und unterhalb jeweils mit Selenatomen verbunden sind. Das Material absorbiert Licht und ähnelt darin Graphen, dessen Kohlenstoffatome wie Bienenwaben in einer Ebene angeordnet sind. Das Team um Jason S. Ross von der University of Washington in Seattle hat daraus die bisher dünnste Leuchtdiode der Welt gebaut. Die Forscher stapelten mehrere, transparente Lagen aus Wolframdiselenid und Bornitrid auf eine glatte Untergrundstruktur. Dann brachten sie die 2D-Kristallschicht durch Anlegen einer Spannung zum Leuchten. Das ausgesandte Licht schien außergewöhnlich hell, und sein Spektrum zeigte sich zehnmal schmaler als bei vergleichbaren Leuchtdioden. Gleichzeitig war der Stromverbrauch rund tausendmal geringer. „Wir erhoffen uns damit eines Tages dünne, flexible Displays, oder auch großflächig-diffuse Raumbeleuchtung“, sagt Thomas Müller von der Technischen Universität Wien, Koautor der zweiten Studie.

Umgekehrt kann Wolframdiselenid – anders als Graphen – nicht nur durch Stromzufuhr zum Leuchten gebracht werden, sondern auch Sonnenlicht in Strom umwandeln. „Die elektronischen Zustände in Graphen sind für den Einsatz als Solarzelle nicht besonders gut geeignet“, erklärt Müller. Daher habe er mit seinem Team nach anderen Materialien gesucht, aus denen sich ultradünne Schichten herstellen lassen, und sich für Wolframdiselenid entschieden. Die von Müller und seinen Kollegen hergestellte Schicht ist so dünn, dass sie 95 Prozent des Lichts durchlässt. Von den verbleibenden fünf Prozent an Lichtleistung, die vom Material absorbiert wird, kann ein Zehntel in elektrische Leistung umgewandelt werden. Der interne Wirkungsgrad von Wolframdiselenid ist somit relativ hoch. Um einen höheren Anteil des einfallenden Lichtes für die Stromerzeugung nutzen, müsste man mehrere dieser dünnen Schichten übereinander stapeln.

Herkömmliche Solarzellen bestehen heute meist aus Silizium, sie sind relativ dick und unflexibel. Auch organische Materialien werden für optoelektronische Anwendungen eingesetzt, doch sie altern schnell. „Ein großer Vorteil der zweidimensionalen Strukturen aus einzelnen Atomlagen ist, dass sie kristallin sind. Kristallstrukturen verleihen Stabilität“, erklärt Müller. In Zukunft könnten aus solchen 2D-Kristallen neuartige Leuchtdioden, Photodetektoren oder Solarzellen hergestellt werden.