Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen
RUB-Chemiker untersuchen Metallisierung von Oxiden
Physical Review Letters berichtet über „teilgefüllte Bänder“
Wie
sich die Oberfläche von Zinkoxid auf einfache Art leitfähig machen
lässt, entdeckten Bochumer Chemiker per Zufall: Bei Experimenten an
Zinkoxid-Oberflächen stellten die Forscher um Prof. Dr. Christof Wöll
(Physikalische Chemie I) fest, dass Wasserstoff-Atome bei
Raumtemperatur ausschließlich mit den Sauerstoff-Atomen an der
Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome frei bleiben. Den
Zink-Atomen fehlt somit ein „Nachbar“, mit dem sie eine weitere Bindung
eingehen können – es bleiben ungepaarte Elektronen übrig, die
elektrischen Strom leiten. Aus dem Isolator Zinkoxid wird ein guter
elektrischer Leiter. Dieser Fund gibt Anstöße z.B. für die Herstellung
von Solarzellen und Wasserstoffsensoren. Über ihre Funde berichten die
RUB-Forscher in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.
Durchsichtig und leitfähig soll es sein
Für viele Anwendungen, z.B. in Solarzellen, werden durchsichtige,
leitfähige Materialien gebraucht. Metalle, die klassischen Leiter, sind
aber undurchsichtig und kommen daher nicht in Frage. Deswegen
interessiert man sich seit langem für die entsprechenden Metall-Oxide.
Allerdings sind Oxide normalerweise gute Isolatoren. So sind oxidierte
Kontakte im Zündverteiler der Alptraum eines jeden Autofahrers. Es gibt
jedoch Ausnahmen: Das durchsichtige Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist
leitfähig und wird bereits vielfältig eingesetzt. Als leitende Schicht
in Solarzellen muss es allerdings in einem extra Arbeitsschritt auf
Oberflächen – etwa auf die des häufig eingesetzten Zinkoxids –
aufgedampft werden.
Zufallsfund im SFB Die
Forscher am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der Ruhr-Universität
fanden nun heraus, dass die Leitfähigkeit an der Oberfläche von
Zinkoxid-Oberflächen auch einfacher zu haben ist: Geringe Mengen
Wasserstoff reichen aus, um die Oberfläche metallisch zu machen.
„Eigentlich handelt es sich dabei um einen ‚Zufallsfund’“, erklärt
Prof. Wöll, „das Hauptinteresse der Untersuchungen gilt den chemischen
Eigenschaften von Zinkoxidoberflächen, insbesondere in Zusammenhang mit
der Synthese von Methanol im Sonderforschungsbereich 558.“ Die
Wissenschaftler entdeckten bei Experimenten mit atomarem Wasserstoff in
einer Ultrahochvakuum-Kammer, dass bei Zimmertemperatur die
Wasserstoff-Atome nur mit den Sauerstoff-Atomen an der
Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome an der Oberfläche
frei bleiben. Die H-Atome in den sich an der Oberfläche bildenden
OH-Gruppen haben also keine Partner an den benachbarten Metallatomen.
Teilgefüllte Bänder leiten den Strom
Wie theoretische Berechnungen von Dr. Bernd Meyer (Theoretische Chemie)
zeigen, führt das zur Bildung von „ungepaarten“ Elektronen.
Festkörperphysikers sprechen von so genannten teilgefüllten Bändern.
„Wichtiges Resultat ist, dass die Elektronen dann frei beweglich sind;
aus dem Isolator Zinkoxid wird ein elektrischer Leiter“, so Prof. Wöll.
Da Zinkoxid für die Herstellung von Solarzellen von erheblichem
Interesse ist, erwarten die Forscher von diesem Ergebnis Anstöße für
die Entwicklung neuer Solarzellen. Außerdem erlauben die Daten erstmals
tiefere Einsichten in die Funktionsweise von Wasserstoffsensoren, die
ebenfalls auf dem Material Zinkoxid basieren.
Titelaufnahme Y.
Wang, B. Meyer, X. Yin, M. Kunat, D. Langenberg, F. Traeger, A. Birkner
and Ch. Wöll: Hydrogen Induced Metallicity on the ZnO(10-10) Surface.
In: Physical Review Letters 95, 266104 (2005)
Teilgefüllte Bänder
Bei
Zimmertemperatur führt die chemische Bindung von Wasserstoffatomen an
Zinkoxid-Oberflächen zur Ausbildung elektronischer Bänder, die die
Oberfläche dieses Isolators elektrisch leitfähig machen.
Prof.
Dr. Christof Wöll, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für
Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NC 5/ 74, Tel.
0234/32-25529, Fax: 0234/32-14182 woell@pc.ruhr-uni-bochum.de
Pressestelle RUB - Universitätsstr. 150 - 44780 Bochum
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