Forskare vid Wiens tekniska universitet har lyckats kombinera två halvledarmaterial, bestående av endast tre atomlager vardera. Den här nya strukturen lovar mycket för en ny sorts solcell.

Extremt tunn, halvtransparent, flexibla solceller kan snart bli verklighet. Vid Wiens tekniska universitet, Thomas Mueller, Marco Furchi och Andreas Pospischil har lyckats skapa en halvledarstruktur bestående av två ultratunna lager, som verkar vara utmärkt lämpad för solcellsenergiomvandling

För flera månader sedan, teamet hade redan producerat ett ultratunt lager av den fotoaktiva kristallen volframdiselenid. Nu, denna halvledare har framgångsrikt kombinerats med ett annat lager av molybdendisulfid, skapa ett designermaterial som kan användas i framtida lågkostnadssolceller. Med detta förskott, forskarna hoppas kunna etablera en ny typ av solcellsteknik.

Tvådimensionella strukturer

Ultratunna material, som bara består av ett eller några få atomlager är för närvarande ett hett ämne inom materialvetenskap idag. Forskning om tvådimensionella material började med grafen, ett material tillverkat av ett enda lager av kolatomer. Liksom andra forskargrupper över hela världen, Thomas Mueller och hans team skaffade sig den nödvändiga kunskapen för att hantera, analysera och förbättra ultratunna lager genom att arbeta med grafen. Denna kunskap har nu tillämpats på andra ultratunna material.

"Ganska ofta, tvådimensionella kristaller har elektroniska egenskaper som är helt olika de hos tjockare lager av samma material", säger Thomas Mueller. Hans team var först med att kombinera två olika ultratunna halvledarlager och studera deras optoelektroniska egenskaper.

Två lager med olika funktioner

Volframdiselenid är en halvledare som består av tre atomlager. Ett lager av volfram är inklämt mellan två lager av selenatomer. "Vi hade redan kunnat visa att volframdiselenid kan användas för att förvandla ljus till elektrisk energi och vice versa", säger Thomas Mueller. Men en solcell gjord enbart av volframdiselenid skulle kräva otaliga små metallelektroder som är tätt placerade bara några mikrometer från varandra. Om materialet kombineras med molybdeniumdisulfid, som också består av tre atomlager, detta problem kringgås elegant. Heterostrukturen kan nu användas för att bygga stora solceller.

När ljus lyser på ett fotoaktivt material avlägsnas enstaka elektroner från sin ursprungliga position. Ett positivt laddat hål finns kvar, där elektronen befann sig. Både elektronen och hålet kan röra sig fritt i materialet, men de bidrar bara till den elektriska strömmen när de hålls isär så att de inte kan kombineras igen.

För att förhindra rekombination av elektroner och hål, metalliska elektroder kan användas, genom vilken laddningen sugs bort - eller ett andra material tillsätts. "Hålen rör sig inuti volframdiselenidlagret, elektronerna, å andra sidan, migrera in i molybedniumdisulfiden", säger Thomas Mueller. Således, rekombination undertrycks.

Detta är bara möjligt om energierna hos elektronerna i båda lagren är inställda på exakt rätt sätt. I experimentet, detta kan göras med hjälp av elektrostatiska fält. Florian Libisch och professor Joachim Burgdörfer (TU Wien) tillhandahöll datorsimuleringar för att beräkna hur elektronernas energi förändras i båda materialen och vilken spänning som leder till ett optimalt utbyte av elektrisk kraft.

Tätt packade lager

"En av de största utmaningarna var att stapla de två materialen, skapa en atomärt platt struktur", säger Thomas Mueller. "Om det finns några molekyler mellan de två lagren, så att det inte finns någon direkt kontakt, solcellen kommer inte att fungera." Så småningom, denna bedrift åstadkoms genom att värma båda skikten i vakuum och stapla dem i omgivande atmosfär. Vatten mellan de två skikten avlägsnades genom att skiktstrukturen värmdes upp igen.

En del av det inkommande ljuset passerar rakt igenom materialet. Resten absorberas och omvandlas till elektrisk energi. Materialet kan användas för glasfronter, släpper in det mesta av ljuset, men skapar fortfarande elektricitet. Eftersom den bara består av ett fåtal atomlager, den är extremt lätt (300 kvadratmeter väger bara ett gram), och mycket flexibel. Nu arbetar teamet med att stapla mer än två lager – detta kommer att minska transparensen, men öka den elektriska effekten.