Die Untersuchung von Van-der-Waals-Heterostrukturen, insbesondere des g-C3N4/WTe2-Systems, zeigt, wie feinjustierbare Zwischenlagen (vdW-Abstände) die elektronischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen können. Die Variation des vdW-Gaps bewirkt eine kontinuierliche Anpassung des Bandabstands durch Verschiebung des Leitungsbandminimums und des Valenzbandmaximums, was letztlich zu einer Verringerung oder Vergrößerung der Bandlücke führt. So wurde beispielsweise der Bandabstand des g-C3N4/WTe2-Heterostruktursystems von 1,24 eV auf 1,44 eV erhöht, indem der vdW-Abstand vergrößert wurde. Diese Modifikation erlaubt eine bessere Anpassung an den sichtbaren Bereich des Lichtspektrums und führt zu einer signifikanten Steigerung der photoelektrischen Effizienz (PCE) bis zu 17,68 %.

Die Rolle der Heterostrukturen ist nicht nur auf die Anpassung der Bandlücke beschränkt, sondern umfasst auch die Optimierung der Bandausrichtung, was maßgeblich zur Minimierung von Ladungsträgerrekombination beiträgt. Dies wird in den untersuchten Systemen durch Typ-II-Bandstrukturen realisiert, die eine effiziente Trennung von Elektronen und Löchern ermöglichen. Eine reduzierte Rekombinationsrate steigert die Ladungsträgerlebensdauer und damit die Stromdichte und Gesamtleistung der Solarzelle. Dies spiegelt sich beispielsweise in der Verbesserung des Kurzschlussstroms (Jsc) wider, wie sie bei den TOCN-basierten Perowskit-Solarzellen beobachtet wurde. Der geringere Serienwiderstand und der höhere Rekombinationswiderstand deuten auf eine optimierte Ladungsträgerdynamik an den Grenzflächen hin.

Parallel zur Weiterentwicklung von Solarzellen erfährt die Energiezwischenspeicherung eine Revolution durch optische Superkondensatoren. Diese Systeme kombinieren die Vorteile der schnellen Lade- und Entladefähigkeit, der hohen Lebensdauer und der Umweltverträglichkeit von Superkondensatoren mit der direkten Umwandlung von Solarenergie. Dabei werden organische Perowskit-Solarzellen mit polypyrrol-basierten Superkondensatoren gekoppelt, um den direkt gewonnenen Strom effizient zu speichern. Solche hybriden Systeme brechen mit der traditionellen Trennung von Energieerzeugung und -speicherung, indem sie beide Funktionen integrieren und so den Gesamtwirkungsgrad erhöhen.

Die Funktionsweise dieser photoaktiven Energiespeichersysteme basiert auf der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in einem photoaktiven Elektrodenmaterial, dessen Elektronen anschließend in eine Ladungsspeicherelektrode übertragen werden. Gleichzeitig werden durch die Gegenelektrode die entstehenden Löcher neutralisiert, was einen Ladungsausgleich schafft. Die Membran zwischen Ladungsspeicher- und Gegenelektrode sichert die Trennung der Elektroden und ermöglicht den Ionenfluss zur Ladungsausgleichung. Diese elektrochemische Architektur ermöglicht eine direkte Kopplung von Photovoltaik- und Energiespeicherprozessen und eröffnet neue Möglichkeiten für effiziente und kompakte Energiesysteme.

Neben der Bandlückenanpassung und effizienten Ladungstrennung spielen auch die intrinsischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien eine wesentliche Rolle. Die M2CO2/MoX2-Heterostrukturen (mit M = Hf, Zr und X = S, Se, Te) demonstrieren, dass gezielt kombinierte 2D-Materialien durch geeignete Bandstrukturen nicht nur die Rekombination minimieren, sondern auch das Absorptionsspektrum im UV- und sichtbaren Bereich erweitern können. Diese Eigenschaften verbessern die Lichtnutzung und damit die Photokatalyse und photovoltaische Effizienz. Die Kombination von zwei Materialtypen erlaubt es, die jeweiligen Vorteile zu vereinen und Defizite einzelner Komponenten auszugleichen.

Ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen auf atomarer Ebene, wie sie etwa durch Dichtefunktionaltheorie (DFT) Studien vermittelt wird, ist unerlässlich, um gezielt Heterostrukturen mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften zu entwickeln. Dabei ermöglichen systematische Studien der vdW-Abstände und deren Einfluss auf Bandstruktur und Arbeitspotential die gezielte Optimierung von Solarzellen und integrierten Speichersystemen.

Es ist entscheidend zu begreifen, dass die Leistungssteigerung moderner Solarenergie- und Speichergeräte nicht allein durch die Materialauswahl bestimmt wird, sondern maßgeblich von der Kontrolle der Grenzflächenphänomene und der elektronischen Kopplung abhängt. Die präzise Steuerung der Bandausrichtung und der Ladungsträgerdynamik eröffnet Potenziale für neuartige, hocheffiziente hybride Systeme. Darüber hinaus sollten die Unterschiede in den Speichermechanismen von Superkondensatoren (Doppelschichtladung und schnelle Faraday-Reaktionen) und Batterien beachtet werden, um maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Anwendungen zu entwickeln.

Die Integration von photovoltaischer Energieumwandlung mit elektrochemischer Energiespeicherung bildet die Grundlage für zukunftsfähige, nachhaltige Energiesysteme, die auf kurzen Ladezeiten, Langlebigkeit und Umweltverträglichkeit basieren. Durch den gezielten Einsatz und die Optimierung von Van-der-Waals-Heterostrukturen und optischen Superkondensatoren können diese Systeme eine neue Ära der Solarenergiegewinnung und -speicherung einläuten.

Wie können zweidimensionale Materialien die Thermoelektrik revolutionieren?

Die Entwicklung effizienter thermoelektrischer Materialien erfordert eine gleichzeitige Optimierung gegensätzlicher Parameter: ein hohes elektrisches Leitvermögen, ein möglichst großer Seebeck-Koeffizient und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Herausforderung besteht dabei in der inhärenten Kopplung zwischen diesen Eigenschaften. Besonders kritisch ist die Reduktion der Gitterwärmeleitung (κₗ), ohne dabei die elektrische Leitfähigkeit (σ) wesentlich zu beeinträchtigen. Strategien wie die punktuelle Streuung von Phononen stoßen hier an physikalische Grenzen, da sie überwiegend kurzwellige Phononen adressieren und die Verstärkung des Leistungsfaktors (S²σ) durch die Kopplung von S und σ limitiert bleibt.

In dieser Hinsicht bieten zweidimensionale Halbleitermaterialien (2D-SCM) ein paradigmatisches Potenzial. Die reduzierte Dimensionalität führt zu einer signifikanten Modifikation der elektronischen Zustandsdichte nahe dem Ferminiveau. Diese Steilheit der Zustandsdichte erlaubt es, sowohl den Seebeck-Koeffizienten als auch die elektrische Leitfähigkeit unabhängig voneinander zu manipulieren – ein entscheidender Fortschritt gegenüber volumetrischen Materialien. Zudem ermöglichen van-der-Waals-gebundene Schichtstrukturen eine effektive Phononenstreuung an Grenzflächen sowie innerhalb hierarchisch organisierter Mikrostrukturen, was zu einer gezielten Absenkung der Gitterwärmeleitung beiträgt.

Bi₂Te₃-Legierungen, die bereits seit Jahrzehnten als klassische thermoelektrische Materialien bekannt sind, verdanken ihre Effizienz genau dieser geschichteten Morphologie. Neue 2D-Materialien wie Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs), Mxene, Silicen und Phosphoren eröffnen durch ihre strukturelle und elektronische Vielseitigkeit zusätzliche Freiheitsgrade im Design thermoelektrischer Systeme.

Graphen, die archetypische zweidimensionale Form von Kohlenstoff, besitzt eine einzigartige elektronische Struktur: eine lineare Energiedispersion an den Dirac-Punkten des Brillouin-Zonenrandes. Elektronen und Löcher in Graphen verhalten sich wie masselose Fermionen, was zu außergewöhnlich hoher Beweglichkeit führt (bis zu 2 × 10⁵ cm²/Vs bei Raumtemperatur). Trotz dieser hohen Mobilität und der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit zeigt sich jedoch, dass intrinsisches Graphen nur einen sehr niedrigen Seebeck-Koeffizienten (~9 μV/K) besitzt – ein Hinweis auf das Ferminiveau nahe dem Punkt der Ladungsneutralität. Diese Einschränkung resultiert auch daraus, dass Graphen ein Halbleiter ohne Bandlücke ist.

Transportphänomene in Graphen hängen stark vom Substrat ab. Insbesondere die Gate-Spannung und die Anzahl der Lagen beeinflussen sowohl den Widerstand als auch den Seebeck-Koeffizienten signifikant. Experimente

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