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Atomdünnen Solarzellen auf der Spur

Der Physiker Dr. Jens Kunstmann forscht an der Chemiefakultät der TU Dresden. Foto: TUD

Der Physiker Dr. Jens Kunstmann forscht an der Chemiefakultät der TU Dresden. Foto: TUD

Forscher aus Dresden und Regensburg untersuchen in 2D-Werkstoffen verheiratete Exziton-Paare, die über Atomabgründe hinweg fest zusammenhalten

Dresden, 11. Mai 2018. Physiker aus Dresden und Regensburg experimentieren mit Werkstoffen, die in Zukunft extrem dünne Solarzellen ermöglichen könnten. Solche Kollektoren könnten wie dünne Häute nahezu jede Oberfläche – seien es nun Hauswände, Smartphone-Bildschirme oder Autos – in autarke Energiesammler verwandeln. „Bis man daraus marktreife Solarpaneele konstruieren kann, werden allerdings noch Jahre der Entwicklungsarbeit notwendig sein“, betonte Dr. Jens Kunstmann vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Technischen Universität Dresden (TUD), der die dabei verwenden 2D-Kristalle gemeinsam mit Kollegen aus Regensburg, New York und dem brasilianischen Fortaleza untersucht hatte.

Atomnetze im Labor übereinander gestapelt

Speziell konzentrierten sich der 40-jährige Physiker aus Dresden und seine Kollegen dabei auf eine Stoffgruppe, die Chemiker und Elektroniker „Übergangsmetall-Di-Chalkogenide“ nennen. Sie gehören zu den Halbleiter-Materialien. Im konkreten Fall haben sie extrem dünne 2D-Netze übereinandergestapelt, die jeweils aus nur einzelnen Atomlagen von Molybdän und Schwefel beziehungsweise von Wolfram und Selen bestehen.

2D-Atomlagen kleben aneinander wie der Gecko an der Wand

Dazu muss man wissen, dass die Atome in klassischen Kristallen, wie man sie aus dem Alltag kennt, räumlich, also dreidimensional (3D) verbunden sind. Dies sorgt unter anderem dafür, dass sich Kristalle so fest anfühlen. Diesmal haben die Forscher aber 2D-Kristalle untersucht, die nur in der Ebene, also zweidimensional (2D) vernetzt sind. In der Fläche sind diese Netze auch sehr stabil. Die einzelnen Schichten sind untereinander aber nur recht schwach miteinander verbunden – durch die sogenannten „Van der Waals“-Kräfte. „Das sind letztlich die selben Kräfte, durch die der Gecko die Wände hochlaufen kann“, erklärt Dr. Kunstmann.

Gegensätze ziehen sich an

Diese 2D-Atomlagen sind also relativ deutlich voneinander abgegrenzt und „schwimmen“ eher aufeinander als aneinander zu kleben. Dennoch kommt es in diesen Materialien zu besonderen „Hochzeiten“ zwischen Elektronen und Elektronenlöchern – wobei letztere keine echten Teilchen sind, sich aber ähnlich wie ein positiv geladenes Elektron verhalten. Und auch in Übergangsmetall-Di-Chalkogeniden gilt die alte Weisheit: „Gegensätze ziehen sich an.“ Und so kommt es in diesen Materialien auch vor, dass zum Beispiel ein negatives Elektron aus dem unteren Atomnetz mit einem Elektronen-Loch im oberen Atom-Netz ein festes Paar bildet – ein sogenanntes Interlagen-Exziton. „Wir konnten nachweisen, dass die Natur dieser Exzitonen anders ist als bisher angenommen“, betonte der Dresdner Forscher.

„Ladungstrennung eingebaut“

Aber an diesem Punkt wird das Ganze auch für die Solarindustrie interessant: „In klassischen Photovoltaik-Lösungen wird zusätzlicher Aufwand betrieben, um die negativen und die positiven Ladungen zu trennen. Wir haben hier ein Material, in dem die Ladungstrennung gewissermaßen eingebaut ist.“ Zumindest theoretisch wären damit Solarzellen denkbar, die aus nur zwei Atomlagen bestehen würden, im Kern nur 1,3 Nanometer (Millionstel Millimeter) dünn wären.

Arbeitstier für exotische Quantenzustände

Aber auch jenseits dieses – noch in der Zukunft liegenden – Nutzens für die Energiewende sind die Chemiker, Physiker und Elektroniker von diesen besonderen 2D-Materialien fasziniert. „Wir haben auch die Hoffnung, damit Bose-Einstein-Kondensate* in Halbleitermaterialien erzeugen und untersuchen zu können“, sagte Kunstmann. „Ein universelles Arbeitstier also, mit dem Physiker alle möglichen exotischen Quantenzustände erzeugen könnten.“

Autor: Heiko Weckbrodt

* Bose-Einstein-Kondensat: ein Aggregatzustand, in dem alle Teilchen die selben Quanteneigenschaften haben.

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