Wetenschappers van de Technische Universiteit van Wenen zijn erin geslaagd om twee halfgeleidermaterialen te combineren, bestaande uit slechts drie atomaire lagen elk. Deze nieuwe structuur belooft veel voor een nieuw soort zonnecel.

Extreem dun, semi-transparant, flexibele zonnecellen kunnen binnenkort werkelijkheid worden. Aan de Technische Universiteit van Wenen, Thomas Müller, Marco Furchi en Andreas Pospischil zijn erin geslaagd een halfgeleiderstructuur te creëren die bestaat uit twee ultradunne lagen, die uitstekend geschikt blijkt te zijn voor fotovoltaïsche energieconversie

Een aantal maanden geleden, het team had al een ultradun laagje van het fotoactieve kristalwolfraamdiselenide gemaakt. Nutsvoorzieningen, deze halfgeleider is met succes gecombineerd met een andere laag van molybdeendisulfide, het creëren van een designer-materiaal dat in toekomstige goedkope zonnecellen kan worden gebruikt. Met dit voorschot de onderzoekers hopen een nieuw soort zonneceltechnologie te ontwikkelen.

Tweedimensionale structuren

Ultradunne materialen, die slechts uit één of enkele atoomlagen bestaan, zijn tegenwoordig een hot topic in de materiaalwetenschap. Onderzoek naar tweedimensionale materialen begon met grafeen, een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen. Net als andere onderzoeksgroepen over de hele wereld, Thomas Mueller en zijn team hebben de nodige knowhow verworven om ultradunne lagen analyseren en verbeteren door met grafeen te werken. Deze knowhow is nu toegepast op andere ultradunne materialen.

"Best vaak, tweedimensionale kristallen hebben elektronische eigenschappen die totaal anders zijn dan die van dikkere lagen van hetzelfde materiaal", zegt Thomas Müller. Zijn team was de eerste die twee verschillende ultradunne halfgeleiderlagen combineerde en hun opto-elektronische eigenschappen bestudeerde.

Twee lagen met verschillende functies

Tungsten diselenide is een halfgeleider die uit drie atomaire lagen bestaat. Een laag wolfraam zit ingeklemd tussen twee lagen seleniumatomen. "We hadden al kunnen laten zien dat wolfraamdiselenide kan worden gebruikt om licht om te zetten in elektrische energie en vice versa", zegt Thomas Müller. Maar voor een zonnecel die alleen van wolfraamdiselenide is gemaakt, zijn talloze kleine metalen elektroden nodig die op een kleine afstand van slechts enkele micrometers van elkaar zijn geplaatst. Als het materiaal wordt gecombineerd met molybdeendisulfide, die ook uit drie atomaire lagen bestaat, dit probleem wordt elegant omzeild. De heterostructuur kan nu worden gebruikt om zonnecellen met een groot oppervlak te bouwen.

Wanneer licht op een fotoactief materiaal schijnt, worden enkele elektronen uit hun oorspronkelijke positie verwijderd. Er blijft een positief geladen gat over, waar het elektron zich bevond. Zowel het elektron als het gat kunnen vrij in het materiaal bewegen, maar ze dragen alleen bij aan de elektrische stroom als ze uit elkaar worden gehouden, zodat ze niet kunnen recombineren.

Om recombinatie van elektronen en gaten te voorkomen, metalen elektroden kunnen worden gebruikt, waardoor de lading wordt weggezogen - of een tweede materiaal wordt toegevoegd. "De gaten bewegen in de wolfraamdiselenidelaag, de elektronen, anderzijds, migreren naar het molybedniumdisulfide", zegt Thomas Müller. Dus, recombinatie wordt onderdrukt.

Dat kan alleen als de energieën van de elektronen in beide lagen precies goed zijn afgestemd. In het experiment, dit kan met behulp van elektrostatische velden. Florian Libisch en professor Joachim Burgdörfer (TU Wenen) hebben met computersimulaties berekend hoe de energie van de elektronen in beide materialen verandert en welke spanning leidt tot een optimale opbrengst aan elektrisch vermogen.

Dicht opeengepakte lagen

"Een van de grootste uitdagingen was het stapelen van de twee materialen, het creëren van een atomair vlakke structuur", zegt Thomas Müller. "Als er moleculen tussen de twee lagen zijn, zodat er geen direct contact is, de zonnecel zal niet werken." Uiteindelijk, deze prestatie werd bereikt door beide lagen in vacuüm te verwarmen en in een omgevingsatmosfeer te stapelen. Water tussen de twee lagen werd verwijderd door de lagenstructuur opnieuw te verhitten.

Een deel van het invallende licht gaat dwars door het materiaal heen. De rest wordt geabsorbeerd en omgezet in elektrische energie. Het materiaal kan worden gebruikt voor glazen fronten, het meeste licht binnenlaten, maar toch elektriciteit opwekken. Omdat het maar uit een paar atomaire lagen bestaat, het is extreem licht van gewicht (300 vierkante meter weegt slechts één gram), en zeer flexibel. Nu werkt het team aan het stapelen van meer dan twee lagen - dit zal de transparantie verminderen, maar verhoog het elektrisch vermogen.