Elektrische Leitplanken für Ladungsträger: Team schlägt neuen Ansatz vor, um Graphen für Solarzellen nutzbar zu machen
Eine einzige Lage Kohlenstoffatome – so lässt sich Graphen beschreiben. Das extrem dünne Material zeigt eine bemerkenswerte Eigenschaft: Elektronen können sich darin besonders leicht bewegen. Das macht Graphen interessant für schnelle elektronische Bauteile. Für die Umwandlung von Licht in Strom dagegen taugt es bisher nur wenig. Zwar kann Licht, das von Graphen absorbiert wird, Elektronen anregen und dabei sogenannte Löcher hinterlassen, also positiv geladene Ladungsträger. Doch um die aufgenommene Lichtenergie nutzen zu können, müssten Elektronen und Löcher getrennt und zu unterschiedlichen Kontakten geleitet werden.
Für herkömmliche Solarzellen werden Halbleiter wie Silizium verwendet. Sie besitzen eine sogenannte Bandlücke, die eine wichtige Rolle bei der Trennung der Ladungsträger spielt. Graphen besitzt eine solche Lücke nicht. „Deshalb muss man sich einen anderen Mechanismus ausdenken“, sagt Prof. Ralf Schützhold, Direktor des HZDR-Instituts für Theoretische Physik. Eine Möglichkeit besteht darin, Graphen so zu schneiden oder zu falten, dass winzige Kanten entstehen. Dann wird ein Magnetfeld angelegt. Wird nun Licht von Graphen absorbiert, entstehen Ladungsträger, die vom Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen werden. Die Kanten fungieren dabei wie Leitplanken und führen die Ladungsträger in entgegengesetzte Richtungen – Elektronen und Löcher wandern auseinander und werden getrennt.
Spannung statt Kante
Der Haken: Diese Kanten herzustellen, ist schwierig. Außerdem lässt sich der Ansatz nur schwer auf größere Flächen übertragen – eine Voraussetzung für praktische Anwendungen. Deshalb schlägt das HZDR-Team ein neues Konzept vor: „Statt einer Kante wollen wir Potentialbarrieren als Leitplanken verwenden, die wir durch elektrische Spannungen erzeugen“, erklärt Schützhold. Konkret sollen schmale Metallelektroden über oder unter dem Graphen angebracht werden, dazwischen eine isolierende Schicht. Legt man an die Elektroden Spannung an, erzeugen sie im Graphen Potentialbarrieren. Entscheidend ist das Zusammenspiel mit dem Magnetfeld. Es lenkt Elektronen und Löcher auf entgegengesetzte Kreisbahnen. Die Potentialbarrieren machen daraus eine gerichtete Bewegung: Ein Elektron beschreibt einen Bogen, wird an der Barriere reflektiert und setzt seinen Weg mit dem nächsten Bogen fort. So kommt es entlang der Barriere voran. Eine negative Potentialbarriere hält Elektronen auf, während Löcher sie passieren können. Bei einer positiven Barriere ist es umgekehrt. Dadurch lassen sich Elektronen und Löcher zu gegenüberliegenden Kontakten führen.
In seiner Studie hat das Team berechnet, unter welchen Bedingungen der Mechanismus funktionieren sollte. So müssen die Barrieren ausreichend hoch und breit sein, damit Elektronen sie nicht einfach durchqueren. Auch die Abstände zwischen den Elektroden müssen zu den Kreisbahnen passen. Deren Größe hängt sowohl von der Magnetfeldstärke als auch von der Energie des aufgenommenen Lichts ab. Ein Vorteil des Konzepts ist seine Flexibilität. „Bei den Elektroden können wir die Spannung einstellen“, betont Schützhold. Durch stärkere oder schwächere Spannungen sowie das Ein- und Ausschalten einzelner Elektroden ließe sich die Ladungsführung an unterschiedliche Lichtenergien anpassen. Zudem könnten viele Elektroden nebeneinander größere Graphenflächen erschließen, ohne das Material zerschneiden oder falten zu müssen.
Infrarotlicht als Energiequelle
Langfristig könnte dieser Ansatz unter anderem für Solarzellen interessant werden, die infrarote Strahlung nutzen. Gerade hier bietet die fehlende Bandlücke eine Chance: Graphen kann auch energiearme infrarote Lichtteilchen aufnehmen, deren Energie beispielsweise bei Silizium nicht ausreicht, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Weitere Anwendungen wären Sensoren für sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung. Ebenso ließen sich mit den Elektroden veränderbare Wege für elektrische Ladungen vorgeben – eine Perspektive für eine Elektronik auf Graphen-Basis.
Ein erster Versuchsaufbau könnte wie ein winziges Sandwich aussehen: Eine Lage Graphen befindet sich zwischen transparenten Isolierschichten. Darüber verlaufen feine Metallstreifen, an die Spannungen im Voltbereich angelegt werden. Um aus Infrarotstrahlung elektrischen Strom zu gewinnen, sollten die Abstände zwischen den Elektroden im Mikrometerbereich liegen. Den Berechnungen zufolge dürfte ein Magnetfeld von etwa 0,1 Tesla ausreichen, das sich mit Permanentmagneten erzeugen ließe. Würde man mehrere Graphenlagen übereinanderstapeln, durch transparente Isolierschichten voneinander trennen und mit Spiegeln kombinieren, ließe sich die Lichtausbeute erhöhen: Die Strahlung würde mehrfach durch die aktiven Schichten laufen und hätte immer wieder Gelegenheit, absorbiert zu werden. Die benötigten Komponenten sind bereits verfügbar. Nun müssten sie zusammengefügt und geprüft werden. Entsprechende Versuche sind am HZDR geplant, und Schützhold ist optimistisch: „Schon bei den Graphenkanten folgte auf unsere theoretische Vorhersage der experimentelle Nachweis, das Signal fiel sogar stärker aus als erwartet. Deshalb hoffe ich, dass das auch mit unserem neuen Ansatz klappt.“