Deutsche Forschung schlägt graphenbasierte Solarzellen ohne Silizium vor

de.wedoany.com-Bericht: Am 29. Oktober veröffentlichte das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine Studie zur graphenbasierten photoelektrischen Umwandlung, in der vorgeschlagen wird, durch das Zusammenwirken eines Magnetfelds und einer einstellbaren Elektrodenspannung die nach der Lichtabsorption im Graphen erzeugten Elektronen und Löcher zu trennen und so die Anwendung von Graphen in Solarzellen, Lichtsensoren und optoelektronischen Bauelementen voranzutreiben.

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und weist eine hohe Ladungsträgermobilität sowie gute elektrische Leitfähigkeit auf. Es fehlt ihm jedoch die Bandlücke, die herkömmliche Halbleiter besitzen, sodass die durch Lichteinstrahlung erzeugten Elektronen und Löcher nur schwer effektiv getrennt und gerichtet transportiert werden können, was die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie einschränkt. Das Forschungsteam schlägt vor, auf den Isolierschichten oberhalb und unterhalb des Graphens schmale Metallelektroden anzuordnen und durch Anlegen einer Spannung eine einstellbare Potenzialbarriere zu erzeugen; gleichzeitig wird senkrecht zur Graphenebene ein Magnetfeld angelegt, sodass sich Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen bewegen, und die Potenzialbarriere wird genutzt, um die Ladungsträger zu unterschiedlichen Elektroden zu leiten, wodurch ein gerichteter Strom entsteht.

Mittels theoretischer Berechnungen analysierten die Forscher den Zusammenhang zwischen der Höhe und Breite der Potenzialbarriere, dem Elektrodenabstand und der Magnetfeldstärke. Für das Szenario der Infrarotlichtumwandlung zeigen die Berechnungen, dass bei einer Magnetfeldstärke von etwa 0,1 Tesla und einem Elektrodenabstand im Mikrometerbereich eine Ladungsträgertrennung erreicht werden kann. Durch Anpassen der Elektrodenspannung oder Umschalten der Elektroden lassen sich zudem die Bewegungsbahnen der Ladungsträger verändern, sodass das Bauelement an einfallendes Licht unterschiedlicher Energie angepasst werden kann. Das Forschungsteam schlägt außerdem vor, mehrere Graphenschichten abwechselnd mit transparenten Isolierschichten zu stapeln und zusätzlich reflektierende Strukturen einzusetzen, um die Lichtabsorption zu erhöhen.

Eine der potenziellen Anwendungsrichtungen dieses Ansatzes ist die Nutzung von Infrarotlichtenergie. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumsolarzellen kann Graphen einen Teil der Infrarotphotonen absorbieren, deren Energie nicht ausreicht, um in Silizium Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Daher sind die Forscher der Ansicht, dass dieser Mechanismus künftig für Infrarot-Photovoltaikbauelemente genutzt und auf sichtbare sowie infrarote Sensoren ausgeweitet werden könnte. Der derzeitige Forschungsschwerpunkt liegt jedoch auf dem Bewegungsmechanismus der Ladungsträger und seinen theoretischen Parametern; gemessene Wirkungsgrade oder Stromertragsdaten von mit diesem neuen Ansatz hergestellten Solarzellen wurden noch nicht veröffentlicht.