Alternativer elektrischer Leiter entdeckt

Technologie soll zu innovativen Solarzellen und Wasserstoffsensoren führen

Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum haben bei Experimenten an Zinkoxid-Oberflächen zufällig eine wesentliche Entdeckung gemacht: Wasserstoff-Atome reagieren bei Raumtemperatur ausschließlich mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche, während die Zink-Atome frei bleiben. Dadurch wird aus dem Isolator Zinkoxid ein guter elektrischer Leiter.

Für viele technische Anwendungen werden durchsichtige, leitfähige Materialien gebraucht. Metalle, die klassischen elektrischen Leiter, sind aber undurchsichtig und kommen daher nicht in Frage. Deswegen haben sich die Forscher seit langem für die entsprechenden Metall-Oxide interessiert. Die Oxide sind allerdings normalerweise gute Isolatoren. Ausnahmen sind das durchsichtige Indium-Zinn-Oxid (ITO): Dieses 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.

Das Forscherteam um Christof Wöll vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie hat nun entdeckt, 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“, so Wöll. Das Hauptinteresse der Untersuchungen galt nämlich den chemischen Eigenschaften von Zinkoxidoberflächen, insbesondere in Zusammenhang mit der Synthese von Methanol.

Die Wissenschaftler haben bei Experimenten mit atomarem Wasserstoff in einer Ultrahochvakuum-Kammer entdeckt, 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 Wasserstoff-Atome in den sich an der Oberfläche bildenden OH-Gruppen haben also keine Partner an den benachbarten Metallatomen.

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.

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