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Neue dünne Schichten zeigen vielversprechende Eigenschaften für Photovoltaik, LEDs

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Forscher an der Universität von Buffalo verwendeten ein ungiftiges Material, um Filme zu entwickeln, die eine starke Lichtabsorption und einen starken Ladungstransport aufweisen.

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Forscher sind ständig auf der Suche nach neuen Materialien, mit denen elektronische Geräte effizienter und kostengünstiger gebaut werden können, vor allem da sich Silizium den Grenzen seiner Leistungsfähigkeit nähert. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler der Universität von Buffalo neue dünne Filme aus einem wenig verwendeten, aber reichlich vorhandenen Material hergestellt, deren Leistung vielversprechend für den Einsatz in elektronischen und optischen Anwendungen wie Photovoltaik und Leuchtdioden (LEDs) ist.

Das Team unter der Leitung von Hao Zeng - Professor für Physik an der Hochschule für Kunst und Wissenschaft der Universität - erstellte die Filme unter Verwendung von Barium-Zirkoniumsulfid, einer Materialkategorie, die als Chalkogenid-Perowskite bekannt ist. Diese Materialien haben Vorteile gegenüber anderen, die in elektronischen und photovoltaischen Geräten verwendet werden, u.a., dass sie ungiftig sind und in der Erde natürlich und im Überfluss vorkommen

Tatsächlich erforschen Forscher seit Jahren den Einsatz von dünnen Schichten auf Perowskitbasis in Solarzellen, da sie das Potenzial für einen höheren Wirkungsgrad und geringere Kosten bei der Zellproduktion haben.

Die von Wengs Team entwickelten Filme kombinieren eine signifikante Lichtabsorption mit einem guten Ladungstransport, wodurch sie sich gut für Anwendungen eignen, in denen heute Silizium eingesetzt wird. "Viele Jahrzehnte lang gab es nur eine Handvoll Halbleitermaterialien, die verwendet wurden, wobei Silizium das dominierende Material war", sagte Zeng. "Unsere dünnen Filme öffnen die Tür zu einer neuen Richtung in der Halbleiterforschung. Es besteht die Chance, das Potenzial einer ganz neuen Klasse von Materialien zu erforschen"

Altes Material, neue Verwendung

Die Forscher waren nicht die ersten, die Barium-Zirkonium-Sulfid und seine Nützlichkeit entdeckten; die Verbindung wurde in Anwendungen aus den 1950er Jahren verwendet, wurde aber von den Wissenschaftlern weitgehend übersehen. "Es existiert seit mehr als einem halben Jahrhundert", sagte Zeng. "Unter den früheren Forschungen stellte eine Firma in Niagara Falls es in Pulverform her. Ich glaube, die Leute haben dem wenig Beachtung geschenkt"

Pulver ist jedoch nicht die beste Form für die Anwendungen, für die Zeng und sein Team das Material verwenden wollten, weshalb sie das Potenzial des Materials für dünne Schichten ausloten wollten. Die Forscher fertigten ihre Filme an, indem sie Barium-Zirkoniumoxid mit einem Laser erhitzten und verdampften und dann diesen Dampf auf einer Saphir-Oberfläche absetzten. Dadurch bildete sich ein Film, der dann durch eine chemische Reaktion, die als Schwefelung bezeichnet wurde, in das endgültige Material umgewandelt wurde.

Das Team veröffentlichte ein Papier über seine Arbeit in der Zeitschrift Nano Energy.

Die Forscher glauben, dass ihre Folien besonders nützlich für die Erzeugung von Solarenergie sein werden, da Untersuchungen darauf hindeuten, dass diese Art von Perowskit-Material viel effizienter bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität wäre als herkömmliche Materialien auf Siliziumbasis mit identischer Dicke, sagte Haolei Hui, ein Doktorand der Physik und einer der Forscher des Teams. "Die Halbleiterforschung hat sich traditionell stark auf konventionelle Materialien konzentriert", sagte er. "Dies ist eine Gelegenheit, etwas Neues zu erforschen. Chalkogenid-Perowskite haben einige Ähnlichkeiten mit den weit erforschten Halogenid-Perowskiten, leiden aber nicht unter der Toxizität und Instabilität der letzteren Materialien"