Welche optoelektronischen Eigenschaften von 2D-Halbleitermaterialien sind für die Entwicklung innovativer Geräte entscheidend?

Die optoelektronischen Eigenschaften von 2D-Halbleitermaterialien (2D-SCMs) wie MoS2, MoSe2, WS2 und WSe2 sind von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Technologien in der Elektronik und Photonik. Diese Materialien zeichnen sich durch starke Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie aus, was zu einer erheblichen Absorption von Licht im sichtbaren Bereich führt. Studien haben gezeigt, dass 2D-SCMs wie MoS2 und WS2 etwa 5 bis 10 % des sichtbaren Sonnenlichts absorbieren. Diese Eigenschaften sind vor allem auf den Effekt der quantenmechanischen Eingrenzung zurückzuführen, der bei 2D-SCMs zu außergewöhnlich hohen Exziton-Bindungsenergien führt. Diese liegen theoretisch zwischen 0,3 und 1,0 eV, was einen markanten Unterschied zu traditionellen anorganischen Halbleitern darstellt.

Die optischen Eigenschaften von 2D-SCMs ändern sich jedoch erheblich, wenn die Dicke des Materials variiert wird. Diese Änderungen beruhen auf drastischen Veränderungen in der Bandstruktur von dünnen Monolayern im Vergleich zu Bulk-Materialien. Die Bandlücken der 2D-SCMs können durch äußere Einflüsse wie Strain oder das Vorhandensein von chemischen Dopingstoffen weiter angepasst werden. So konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von p-Typ-Dopanten die Photolumineszenz von MoS2-Monolayern signifikant verstärkt. Auch der Einsatz von äußerem Druck kann die Bandlücke um bis zu 100 meV beeinflussen, was eine gezielte Steuerung der optischen Eigenschaften von 2D-SCMs ermöglicht.

In Bezug auf die nichtlinearen optischen Eigenschaften zeigen 2D-SCMs wie MoS2 und WS2 vielversprechende Eigenschaften im Bereich der Zwei-Photonen-Absorption. Diese nichtlinearen Absorptionseffekte sind besonders für Anwendungen in der Photonik von Bedeutung, etwa für optische Schalter, Modulatoren und Limiter. Bei WS2-Monolayern wurde festgestellt, dass die Zwei-Photonen-Absorption mit der Anzahl der Schichten variiert, wobei bei drei Schichten eine Sättigung erreicht wird. Die nichtlinearen optischen Eigenschaften dieser Materialien eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung von optoelektronischen Bauteilen.

Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsgebiet von 2D-SCMs ist die Photodetektortechnologie. In modernen optoelektronischen Geräten ist der interne photoelektrische Effekt, bei dem Photonen Elektronen in das Leitungsband anregen, von zentraler Bedeutung. Die Effizienz eines Photodetektors wird durch das Verhältnis der erzeugten Elektronen zu den eingestrahlten Photonen bestimmt. TMDs (Transition Metal Dichalcogenides) zeichnen sich durch eine hohe Absorption von Licht und eine starke Photolumineszenz aus, was sie zu ausgezeichneten Kandidaten für Photodetektoren macht. Ihre hohe Trägerbeweglichkeit und die starke Bindung der Exzitonen fördern eine bessere Trennung der Ladungsträger und verbessern so die Empfindlichkeit der Detektoren.

Die Nutzung von TMDs in optoelektronischen Geräten könnte zudem durch die Bildung von Heterostrukturen weiter optimiert werden. Dies ermöglicht die gezielte Steuerung der optischen und elektronischen Eigenschaften und eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung hochleistungsfähiger Bauelemente. Ein weiteres Anwendungsfeld für 2D-SCMs sind Laserquellen. Die Materialeigenschaften dieser Materialien, insbesondere ihre nichtlinearen optischen Eigenschaften, machen sie zu vielversprechenden Alternativen zu herkömmlichen Lasermaterialien wie einwandigen Kohlenstoffnanoröhren.

Ein besonders interessantes Thema ist die Auswirkung von Dehnung auf die Bandstruktur und optischen Eigenschaften von 2D-SCMs. Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Bandlücke von 2D-Halbleitermaterialien durch homogene und inhomogene Dehnungen beeinflusst werden kann. Beispielsweise wurde für schwarzes Phosphor gezeigt, dass sowohl die optischen Eigenschaften als auch die Exzitonenbindung energien mit Zugdehnung direkt proportional sind. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung von Technologien, die auf die spezifische Steuerung von Bandlücken angewiesen sind, wie etwa in der Solarzellen- oder Flexelektronik.

Neben den optoelektronischen Eigenschaften sind auch die elektrischen Eigenschaften von 2D-SCMs von grundlegender Bedeutung für ihre Verwendung in elektronischen Geräten. Die hohe Beweglichkeit der Ladungsträger in 2D-SCMs, insbesondere im Vergleich zu Bulk-Materialien, macht sie ideal für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsbauelementen wie Feldeffekttransistoren (FETs). Diese Transistoren nutzen ein elektrisches Feld, um den Strom zu steuern. Die Leistungsfähigkeit von FETs wird maßgeblich durch die Beweglichkeit der Ladungsträger beeinflusst, und 2D-SCMs bieten hier vielversprechende Vorteile. Untersuchungen zum Feldeffektmobilitätsverhalten von TMD-Monolayern zeigten, dass die Oberflächenumgebung, einschließlich der Topdieelektrika, die Beweglichkeit der Ladungsträger signifikant beeinflussen kann.

Zusätzlich zur Verbesserung der Trägerbeweglichkeit in TMDs kann auch die Verwendung von nicht-homogenen Strain-Profilen das Verhalten dieser Materialien weiter verbessern. Durch die gezielte Anwendung von Strain können die optoelektronischen Eigenschaften von 2D-SCMs so abgestimmt werden, dass sie optimal für spezifische Anwendungen geeignet sind.

Die Entwicklung von 2D-SCMs für die Verwendung in optoelektronischen und elektronischen Geräten ist ein aufregendes und zukunftsträchtiges Forschungsfeld. Die Kombination aus exzellenten optischen und elektrischen Eigenschaften, die durch die gezielte Modulation von Materialparametern wie Schichtdicke, Dehnung und Dopierung weiter verbessert werden können, macht diese Materialien zu einem vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Halbleitertechnologien.

Wie können 2D-Halbleiter die Zukunft von Brennstoffzellen und Solarzellen verändern?

Die zunehmenden Einschränkungen flüssiger Elektrolyte in Brennstoffzellensystemen – insbesondere Sicherheitsrisiken und eine geringe Ionenmobilität – zwingen die Forschung, alternative Lösungen zu entwickeln. In diesem Kontext gewinnen einlagige oder elektrolytfreie Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung. Ein bemerkenswerter Ansatz stammt von Ganesh et al., die eine Halbleiter-p–n-Übergangsbrennstoffzelle unter Verwendung von LiCoO₂/SnO₂-2D-Halbleitermaterialien konzipierten. Die Herstellung des SnO₂-Nanopulvers erfolgte über Ko-Fällung, während die anschließende Dünnfilm-Fertigung der Zellen mittels DC-Magnetronsputtern durchgeführt wurde.

Die resultierenden Zellen – darunter Planarzellen in Bulk- und Dünnfilm-Konfiguration sowie Bulk-Heteroübergangszellen – zeigten beachtliche Leistungsdichten von 0,61, 0,82 bzw. 0,30 W/cm². Das Fehlen eines klassischen Elektrolyten erlaubte es, den Elektronentransport innerhalb der Zelle gezielt zu steuern und Kurzschlüsse zu vermeiden, was zu stabileren und effizienteren Geräten führte. Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigte die Elektronenübertragung zwischen LiCoO₂ und SnO₂ und damit die Bildung des funktionalen p–n-Übergangs.

Angesichts der Limitierungen konventioneller Elektrolyte und der hohen Betriebstemperaturen (>800°C) herkömmlicher Festoxid-Brennstoffzellen verfolgte die Forschung gezielt die Entwicklung neuartiger Elektrolytmaterialien mit hoher ionischer Leitfähigkeit, hoher Lebensdauer und reduzierter Betriebstemperatur. Shah et al. entwickelten LaSrTCrCeO₃ durch Sol-Gel-Synthese, ein Perowskit-Halbleiter, der bei lediglich 520°C eine Leistung von 1031 mW/cm² und eine ionische Leitfähigkeit von 0,16 S/cm aufwies. Selbst bei 370°C und 330°C lieferten diese Zellen noch 270 bzw. 340 mW/cm² – bemerkenswerte Werte für keramische Systeme.

Ein weiterer Schritt bestand in der Entwicklung heterostruktureller Elektrolyte auf Basis von amorphem α-Al₂O₃, kombiniert mit CeO₂ über Festmischverfahren. Durch die Bildung einer Heterostruktur entstanden Energiebarrieren an den Grenzflächen, verursacht durch die große Bandlücke des Aluminiums, die den Elektronentransport einschränkten, gleichzeitig aber durch die erhöhte Sauerstoffleerstellenkonzentration die Ionenbeweglichkeit verbesserten. Diese Materialien erreichten eine Leitfähigkeit von 0,127 S/cm und eine maximale Leistungsdichte von 1017 mW/cm² bei nur 550°C. Dieses Zusammenspiel aus elektronischer Blockade und ionischer Leitfähigkeit führt zu einer neuen Klasse hocheffizienter Festkörperbrennstoffzellen.

Gleichzeitig wendet sich die Forschung verstärkt der Nutzung zweidimensionaler Halbleiter in Solarzellen zu, die durch ihre außergewöhnlichen elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften besonders vielversprechend sind. Die Fähigkeit, als Donor- und Akzeptormaterialien in excitonischen Solarzellen (XSCs) eingesetzt zu werden, eröffnet neue Perspektiven in der Photovoltaik. Wang et al. synthetisierten β- und α-Sb₂TeSe₂-Monolagen mit Bandlücken von etwa 1,1 eV, hoher Trägermobilität (bis 300 cm²/Vs) und Stabilität auf struktureller, thermischer und chemischer Ebene. Diese Materialien ermöglichten Heteroübergangs-XSCs mit einer bemerkenswerten Energieumwandlungseffizienz (PCE) von 22,5 % bzw. 20,3 % in Kombination mit HfS₂ bzw. BiOI – Werte, die mit herkömmlichen Siliziumtechnologien konkurrieren.

Janus-Strukturen wie MoSSe und spezielle MXene-Varianten wie Sc₂CHCl oder Sc₂COHCl haben durch asymmetrische Atomverteilungen neuartige elektronische Eigenschaften entwickelt, die sie für Anwendungen im Bereich der Photokatalyse und Solarenergie attraktiv machen. Ihre große Absorptionsfähigkeit im sichtbaren und UV-Bereich sowie hohe Halbmetalllücken prädestinieren sie für die Integration in fortschrittliche Solarzellentechnologien. Eine Se₂COHCl/InS-Heterostruktur etwa erreichte eine Effizienz von 21,04 % – ein weiterer Beleg für das Potenzial dieser zweidimensionalen Materialien.

Auch die Kombination aus 3D- und 2D-Perowskiten bildet ein bedeutendes Forschungsfeld. Hierbei fungieren Ruddlesden-Popper-2D-Perowskite als leitfähige Schichten, die 3D-Perowskite ergänzen und die strukturelle Stabilität der Zelle erhöhen. Jiang et al. synthetisierten Mischperowskite mit der Formel (FA₀.₈₅MA₀.₁₅)Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃, wobei durch Spin-Coating auf Fluor-dotiertes Zinnoxid ein stabiler Zellaufbau entstand. Die resultierenden Solarzell

Welche Rolle spielen 2D-Nanomaterialien in der Verbesserung der Effizienz von Solarzellen?

In den letzten Jahren haben organische und Perowskit-basierte Dünnschicht-Solarzellen signifikante Fortschritte in der Effizienz der Energieumwandlung erzielt, wobei organische Solarzellen (SCs) eine Effizienz von über 18 % und Perowskit-Solarzellen mehr als 25 % erreichen konnten. Diese bemerkenswerten Fortschritte sind mit der Einführung neuer Materialien und innovativer Technologien verbunden. Neben der hohen Effizienz zeichnen sich Perowskit- und organische Dünnschicht-Solarzellen durch kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten, mechanische Flexibilität, Leichtigkeit und Teiltransparenz aus, was sie zu einem beliebten Forschungsgebiet macht. In diesem Zusammenhang gewinnen 2D-Nanomaterialien zunehmend an Bedeutung als ideale Kontaktmaterialien für diese Solarzellen.

2D-Nanomaterialien bieten einzigartige Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen prädestinieren. Ihre tunbare elektronische Struktur, hohe optische Transparenz und außergewöhnlich hohe Ladungsträgermobilität machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. Insbesondere haben Materialien wie Graphen, Graphen-ähnliche Element-Nanomaterialien (wie Antimonen, schwarzes Phosphor, Bismuthin, Borophen), Metalloxide, Übergangsmetall-Dichalkogenide (z. B. WSe2 und MoS2), sowie polymere Materialien Anwendung gefunden, um die Effizienz von Solarzellen zu steigern. Die Verwendung von 2D-Nanomaterialien als Fotoelektroden, Elektronen-Transport-Schichten (ETL), Loch-Transport-Schichten (HTL) oder Additiven in aktiven Schichten zeigt eine vielversprechende Verbesserung der Solarzellenleistung.

MoS2, ein zweidimensionales Halbleitermaterial, ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien in der Solarenergieumwandlung. In einer Untersuchung von Jiang et al. wurde MoS2 in eine organische Perowskit-Solarzelle (PSC) integriert, in der es als HTL (Lochtransportmaterial) in Verbindung mit einer modifizierten Spiro-OMeTAD-Schicht verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Reduzierung der Intensität des Photolumineszenz-Peaks (PL), was auf eine verbesserte Loch-Extraktion und damit auf eine gesteigerte Effizienz des Lochtransports hinweist. Die Stabilität der Solarzelle wurde ebenfalls verbessert: Nach 300 Stunden der Luftaussetzung behielt die mit MoS2 modifizierte Solarzelle etwa 85 % ihrer anfänglichen Effizienz bei, während die Referenzzelle nur 30 % der ursprünglichen Effizienz behielt.

Ähnliche Verbesserungen wurden auch durch den Einsatz von MoSe2 und anderen 2D-Metallchalcogeniden als Puffer-Schicht zwischen der HTL und der Perowskit-Schicht erzielt. Diese Materialien fungieren sowohl als zusätzliche HTLs als auch als Schutzschicht, die die Photokonversions-Effizienz (PCE) stabilisieren und die Lebensdauer der Solarzellen verlängern. Eine Studie von Liang et al. zeigte, dass durch den Einsatz von MoS2 und MoSe2 als Puffer-Schicht die PCE auf bis zu 14,9 % verbessert werden konnte, wobei die Zellstabilität im Vergleich zu Referenzzellen signifikant erhöht wurde.

Die Herstellung von Heterojunktionen, etwa vom Typ I, Typ II oder Z-Schema, hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen, um die Ladungstrennung zu optimieren und die Elektron-Loch-Rekombination zu verringern. Insbesondere wurde gezeigt, dass TiO2 als Elektronen-Transportmaterial (ETL) in Kombination mit anderen 2D-Nanomaterialien wie g-C3N4 die Effizienz der Solarzellen signifikant verbessert. Eine Untersuchung von Xie et al. zeigte, dass die Verwendung von TiO2/g-C3N4 als ETL zu einer Verbesserung der PCE auf 20,46 % führte, was eine Steigerung von etwa 20 % im Vergleich zur Referenzzelle darstellt.

Diese Fortschritte verdeutlichen nicht nur die Rolle von 2D-Nanomaterialien in der Verbesserung der Effizienz von Solarzellen, sondern auch ihre Fähigkeit, die langfristige Stabilität der Zellen zu fördern. Die Einführung solcher innovativen Materialien eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Solarzellen, die sowohl hohe Effizienz als auch eine längere Lebensdauer bieten. In Zukunft werden wahrscheinlich noch mehr 2D-Nanomaterialien entdeckt und weiterentwickelt, um die Effizienz und Haltbarkeit von Solarzellen weiter zu steigern und so die Zukunft der Solarenergie zu prägen.