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Halbleiter der nächsten Generation werden Photovoltaik und Beleuchtung revolutionieren

Wissenschaftler haben bei einer neuen Klasse von Hybridmaterialien ausgefallene Quanteneigenschaften entdeckt. Ihre Studie könnte eine Reihe neuartiger Geräteanwendungen ermöglichen.

Energie

Die anhaltende Revolution im Halbleiterbereich verändert die Art und Weise, in der Technologie in verschiedenen optoelektronischen Geräten eingesetzt wird. Es handelt sich um unerlässliche Komponenten für Anwendungen in LED-Displays (für Fernseher, Computer, Mobiltelefone) und Solarzellen. Forscher bieten in einer kürzlich veröffentlichten Studie neue Einblicke in die neu entstehende Klasse hybrider organisch-anorganischer Halbleiter, die zu einem Wandel in den Bereichen Beleuchtung und Energieernte führen könnten. Wissenschaftler, die teilweise über das EU-finanzierte Projekt QUANTUM LOOP (Quantum Light Spectroscopy of Polariton Lasers) unterstützt wurden, haben eine Klasse von Halbleitern untersucht, die als organisch-anorganische Halogenid-Perowskite bezeichnet werden. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht. Laut einer Pressemitteilung des Georgia Institute of Technology sind organisch-anorganische Halogenid-Perowskite energieeffizient sowie „leicht zu erzeugen und anzuwenden.“ Prof. Carlos Silva vom Fachbereich für Chemie und Biochemie des Georgia Tech hebt in der genannten Pressemitteilung die Vorteile solcher Halogenid-Perowskite hervor und erklärt, dass diese „bei geringen Temperaturen hergestellt und aus Lösungen verarbeitet werden.“ Er fügt hinzu: „Die Herstellung erfordert deutlich weniger Energie und ist in großen Chargen möglich.“ In der Pressemitteilung wird weiter erklärt: „Es erfordert hohe Temperaturen, um die meisten Halbleiter in geringen Mengen herzustellen, und sie sind bei der Anwendung auf Oberflächen unflexibel. Organisch-anorganische Halogenid-Perowskite könnten dagegen sogar auflackiert werden, um LED, Laser oder gar Fensterglas herzustellen, das in jeder beliebigen Farbe von Aquamarin bis Purpurrot erstrahlt. Die Beleuchtung mit solchen Halogenid-Perowskiten wird wohl nur wenig Energie erfordern und die Hersteller von Solarmodulen könnten die Effizienz der Photovoltaik steigern und ihre Produktionskosten deutlich verringern.“ In der Pressemitteilung werden organisch-anorganische Halogenid-Perowskite als „ein Sandwich aus zwei anorganischen Kristallgitterschichten mit ein wenig organischem Material dazwischen“ beschrieben. Lichtemissionsprozesse Halbleiter in optoelektronischen Geräten wandeln elektrische Energie in Licht und Licht in Energie um. Die Forschungsgruppe hat sich auf Prozesse konzentriert, die mit der Lichterzeugung zusammenhängen. „Grob gesagt ist der Trick, ein Material dazu zu bringen, Licht abzugeben, die Anwendung von Energie auf Elektronen im Material selbst, damit diese einen Quantensprung von ihren Kreisbahnen rund um die Atome machen und diese Energie in der Folge als Licht emittieren, wenn sie zurück in die Kreisbahnen springen, die sie vorher verlassen hatten.“ Weiter heißt es: „Gängige Halbleiter können Elektronen in Bereichen des Materials einfangen, wodurch die Bewegungsfreiheit der Elektronen streng eingeschränkt wird, und dann Energie auf diese Bereiche anwenden, damit Elektronen im Gleichklang Quantensprünge machen, um nutzbares Licht zu emittieren, wenn sie im Gleichklang zurück in ihre Kreisbahnen springen.“ Nach Angaben von Prof. Silva sind bei den neuen hybriden Halbleitern „die exzitonischen Eigenschaften bei Raumtemperatur sehr stabil“, anders als bei herkömmlichen Halbleitern, bei denen diese Eigenschaften „nur bei ausgesprochen kalten Temperaturen stabil sind“. In der Pressemitteilung wird weiter erklärt: „Ein Elektron hat eine negative Ladung, und eine Kreisbahn, die es verlässt, nachdem es durch Energie angeregt wurde, ist eine positive Ladung, die als Elektronenfehlstelle bezeichnet wird. Das Elektron und die Fehlstelle können umeinander kreisen und eine Art imaginäres Teilchen (Quasiteilchen) bilden, das auch die Bezeichnung Exziton trägt.“ Prof. Silva betont, dass die Bindungsenergie bzw. die positiv-negative Anziehung in einem Exziton „eine sehr energiereiche Erscheinung ist, wodurch sie für die Lichtemission großartig geeignet ist.“ In der Pressemitteilung werden zudem die Dynamiken zusammengefasst, die zur Bildung anderer Quasiteilchen, Biexzitonen und Polaronen, führt. Laut den Angaben auf CORDIS wurde das Projekt QUANTUM LOOP eingerichtet, um „die wichtige photo-physikalische Wissensgrundlage mittels neuartiger optischer Spektroskopien zu entwickeln.“ Das Projekt hat „eine langfristige Perspektive, industriell nutzbare Polariton-Laser herzustellen, in denen Perowskite genutzt werden.“ Weitere Informationen finden Sie unter: Projekt QUANTUM LOOP

Länder

Italien

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