T-Shirts, die leuchten, ein Sonnenschirm, der Energie erzeugt oder preiswerte Solarkollektoren für das Hausdach – wenn es nach amerikanischen Forschern geht, könnten uns all diese Anwendungen zukünftig im Alltag begegnen. Denn sie demonstrierten jetzt in der Zeitschrift „Science“ eine neue Art einer organischen Halbleitereinheit, die einerseits Elektrolumineszenz zeigt, andererseits aber als Solarzelle fungiert.
Halbleiter sind Materialien, die entweder einen Elektronenüberschuss (N-Typ) oder Elektronenlücken an bestimmten Stellen, die so genannten „Löcher“ aufweisen (P-Typ). Kombiniert man beide Arten von Halbleitern, werden Elektronen ausgetauscht und das Ganze dient beispielsweise als Grundbaustein von Transistoren und Dioden.
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George Malliaras, Professor für Materialforschung an der Cornell Universität in Ithaca, New York und seine Mitarbeiter entwickelten jetzt eine Einheit aus organischen Halbleitern, die nicht nur freie Elektronen austauschten, sondern Ionen, geladene Moleküle. Dazu laminierten sie zwei organische Schichten aufeinander, von denen die eine freie positive Ionen enthielt, die andere negative Ionen. Die Ober- und Unterseite dieses „Halbleitersandwiches“ bedeckten dünne transparente Leiterschichten.
Kontaktstelle leuchtet
An der Kontaktstelle der beiden Halbleiterschichten werden, wie bei einer normalen Halbleitereinheit, Elektronen ausgetauscht, wenn über Elektroden eine Spannung angelegt wird. Zusätzlich aber erzeugt die parallel stattfindende Migration der Ionenladungen eine weitaus höhere Potenzialdifferenz als normalerweise. Dadurch angeregt, geben die Moleküle überschüssige Energie als Lichtteilchen ab. Die Verbindungsstelle beider Halbleiterschichten beginnt zu leuchten wie eine Diode. Umgekehrt verhält sich das Bauteil, wenn es mit starkem Licht bestrahlt wird. Dann absorbieren die Moleküle Lichtteilchen und geben stattdessen Elektronen ab – Strom fließt wie bei einer Solarzelle.
Biegsam und billig
Zwei Eigenschaften machen dieses Bauteil dabei für die Forscher so interessant: Zum einen passieren die Elektronen die Kontaktstelle bevorzugt in eine Richtung, zum anderen lässt sich durch Anlegen einer Spannung gezielt steuern, ob das Bauteil leitet oder nicht. Damit eignet es sich nicht nur für Dioden auf organischer Basis, sondern auch als Baustein für Speichereinheiten von Computern.
Und noch einen Vorteil hat das „Ionic Junction“ Prinzip: Es besteht aus biegsamen Einzelschichten, die relativ problemlos beispielsweise von großen Rollen zusammengeklebt werden könnten. Eine günstige Massenproduktion beispielsweise von billigen und flexiblen Solarzellen wäre damit möglich. „Der nächste Schritt“, so Malliaras, “ist es, den Metallgehalt der Halbleiter zu modifizieren, um noch effektivere Materialien zu erzeugen. Es gibt Tonnen von Materialien, die wir einsetzen können.“
(Cornell University, 08.09.2006 – NPO)
