Nyt materiale giver mulighed for ultratynde solceller

Forskere ved Wiens teknologiske universitet har formået at kombinere to halvledermaterialer, bestående af kun tre atomlag hver. Denne nye struktur lover meget for en ny slags solcelle.

Ekstremt tynd, semi-gennemsigtig, fleksible solceller kan snart blive til virkelighed. På det teknologiske universitet i Wien, Thomas Mueller, Marco Furchi og Andreas Pospischil har formået at skabe en halvlederstruktur bestående af to ultratynde lag, som ser ud til at være særdeles velegnet til solcelleenergiomdannelse

For flere måneder siden, holdet havde allerede produceret et ultratyndt lag af det fotoaktive krystal wolframdiselenid. Nu, denne halvleder er med succes blevet kombineret med et andet lag lavet af molybdændisulfid, skabe et designer-materiale, der kan bruges i fremtidens lavprissolceller. Med dette forskud, forskerne håber at etablere en ny slags solcelleteknologi.

Todimensionelle strukturer

Ultratynde materialer, som kun består af et eller få atomlag, er i dag et varmt emne inden for materialevidenskab i dag. Forskning i todimensionelle materialer startede med grafen, et materiale lavet af et enkelt lag af kulstofatomer. Ligesom andre forskningsgrupper over hele verden, Thomas Mueller og hans team fik den nødvendige knowhow til at håndtere, analysere og forbedre ultratynde lag ved at arbejde med grafen. Denne knowhow er nu blevet anvendt til andre ultratynde materialer.

"Ret ofte, todimensionelle krystaller har elektroniske egenskaber, der er helt forskellige fra tykkere lag af samme materiale", siger Thomas Mueller. Hans team var det første til at kombinere to forskellige ultratynde halvlederlag og studere deres optoelektroniske egenskaber.

To lag med forskellige funktioner

Wolframdiselenid er en halvleder, der består af tre atomlag. Et lag wolfram er klemt mellem to lag selenatomer. "Vi havde allerede været i stand til at vise, at wolframdiselenid kan bruges til at omdanne lys til elektrisk energi og omvendt", siger Thomas Mueller. Men en solcelle, der kun er lavet af wolframdiselenid, ville kræve utallige små metalelektroder med tæt afstand kun få mikrometer fra hinanden. Hvis materialet kombineres med molybdeniumdisulfid, som også består af tre atomlag, dette problem er elegant omgået. Heterostrukturen kan nu bruges til at bygge store solceller.

Når lys skinner på et fotoaktivt materiale, fjernes enkelte elektroner fra deres oprindelige position. Et positivt ladet hul er tilbage, hvor elektronen plejede at være. Både elektronen og hullet kan bevæge sig frit i materialet, men de bidrager kun til den elektriske strøm, når de holdes adskilt, så de ikke kan kombineres igen.

For at forhindre rekombination af elektroner og huller, metalliske elektroder kan bruges, hvorigennem ladningen suges væk - eller et andet materiale tilsættes. "Hullerne bevæger sig inde i wolframdiselenidlaget, elektronerne, på den anden side, migrere ind i molybedniumdisulfid", siger Thomas Mueller. Dermed, rekombination undertrykkes.

Dette er kun muligt, hvis energierne af elektronerne i begge lag er indstillet nøjagtigt på den rigtige måde. I forsøget dette kan gøres ved hjælp af elektrostatiske felter. Florian Libisch og professor Joachim Burgdörfer (TU Wien) leverede computersimuleringer for at beregne, hvordan elektronernes energi ændrer sig i begge materialer, og hvilken spænding der fører til et optimalt udbytte af elektrisk strøm.

Tætpakkede lag

"En af de største udfordringer var at stable de to materialer, skabe en atomisk flad struktur", siger Thomas Mueller. "Hvis der er molekyler mellem de to lag, så der ikke er direkte kontakt, solcellen vil ikke fungere." Til sidst, denne bedrift blev opnået ved at opvarme begge lag i vakuum og stable det i den omgivende atmosfære. Vand mellem de to lag blev fjernet ved at opvarme lagstrukturen igen.

En del af det indkommende lys passerer lige igennem materialet. Resten optages og omdannes til elektrisk energi. Materialet kan bruges til glasfronter, lukker det meste af lyset ind, men skaber stadig elektricitet. Da det kun består af nogle få atomlag, det er ekstremt let (300 kvadratmeter vejer kun et gram), og meget fleksibel. Nu arbejder teamet på at stable mere end to lag – dette vil reducere gennemsigtigheden, men øge den elektriske effekt.