Eigenschaften wie Halbleiter 11.08.2021, 11:44 Uhr

Solarzellen: Diamanthartes Glas weist erstaunliche Leitfähigkeit auf

AM-III: Unter diesem Begriff kann man sich wahrlich wenig vorstellen, dabei ist es eine der bahnbrechendsten Entwicklungen der letzten Zeit. Glas, härter als Diamanten, leitet elektrischen Strom und ist fast so effizient wie Silizium.

Diamant auf dunkler Fläche

Härter als ein Diamant: Ein neues Glas-Material ist nicht nur superhart, sondern leitet auch Strom. Ein Einsatz für Solarzellen bietet sich an. Foto/Symbolbild: panthermedia.net/ grafvision (YAYMicro)

Diamonds are a girl’s best friend: Das sang schon Marilyn Monroe. Diamanten strahlen nicht nur Eleganz aus, sie sind auch eine vorzügliche Wertanlage. Härter als ein Diamant kann zudem kein natürliche Stoff sein. Chinesische Wissenschaftler haben jedoch etwas entwickelt, das tatsächlich härter ist als ein funkelnder Diamant.

Hart, härter, Glas: Forschende der chinesischen Yanshan-Universität haben das härteste und stärkste bisher bekannte glasartige Material entwickelt. Es zerkratzt sogar Diamantkristalle mit Leichtigkeit. AM-III lautet der kryptische Name des Materials.

Stärkste Glas der Welt prädestiniert für Solarzellen

Das leicht gelbliche Material ist nicht nur stahlhart, sondern weist ideale mechanische und elektronische Eigenschaften auf. Durch die “ultrahohe” Festigkeit sei AM-III prädestiniert für den Einsatz in Solarzellen. Neben diesem Anwendungsfeld könnten kugelsichere Fenster produziert werden – selbst ein Kugelhagel könnte dem stärksten Glas der Welt nichts anhaben. Die chinesischen Wissenschaftler sprechen also auch explizit die Waffenindustrie an. Gegenüber bisherigen Produkten auf dem Markt sei das Diamanten-Glas bis zu 100-mal widerstandsfähiger. AM-III ist nicht unbedingt als ein Stück Glas zu verstehen, sondern als ein Glas mit Kristallen im Inneren. Unter dem Mikroskop erscheinen die detaillierten Strukturen des Materials geordnet, genau wie Kristalle.

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Gigapascal Härte übertrifft Diamanten

In einem Test erzielten die Forschenden um Professor Tian Yongjun vom „Centre for High Pressure Science“ eine Härte von 113 Gigapascal (GPa). Zum Vergleich: Wendet man den Vickers-Härtetest auf Diamanten an, so erreichen diese in der Regel zwischen 50 und 70 Gigapascal. 1921 erfanden Robert L. Smith und George E. Sandland bei Vickers Ltd dieses Verfahren.

Doch nicht nur die Festigkeit, die jene von Diamanten übertrifft, spricht für das neue Glasmaterial AM-III. Das stärkste Glas der Welt habe beeinflussbare Energieabsorptionseigenschaften, die mit denen von Halbleitern, etwa amorphem Silizium, vergleichbar seien. Das Forscherteam orientierte sich bei der Entwicklung in eine andere Richtung und nahm sich nicht die innere Struktur der Atome und Moleküle von Diamanten zum Vorbild.

„Das Aufkommen dieser Art von ultrahartem, ultrafestem, halbleitendem amorphem Kohlenstoffmaterial bietet hervorragende Kandidaten für die anspruchsvollsten praktischen Anwendungen“, sagte Tian Yongjun.

Ein 1 mm breites AM-III-Glas hat einen Kratzer auf der Oberfläche eines natürlichen Diamantsteins hinterlassen. Foto: National Science Review

Ein 1 mm breites AM-III-Glas hat einen Kratzer auf der Oberfläche eines natürlichen Diamantsteins hinterlassen.

Foto: National Science Review

Erstaunliche Erkenntnis: Ordnung und Unordung der Moleküle sorgt für Durchbruch

Bei Diamantkristallen sorgt die geordnete innere Struktur der Atome und Moleküle für ihre immense Festigkeit und Härte. AM-III ist anders aufgebaut. Die Forschenden fanden heraus, dass eine Kombination aus Ordnung und Unordnung der Moleküle zu den bahnbrechenden Eigenschaften des Glas-Materials führt.

Neuer Solarzellentyp bricht Rekorde beim Wirkungsgrad

Aus Fullerenen, im Alltag als braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz handhabbar, wurden diverse Arten von glasartigen Materialien mit unterschiedlicher molekularer Organisation hergestellt. Am-III ging als “härtester” Gewinner aus dem Experiment hervor. Fullerene stellen neben Diamant und Grafit die dritte Modifikation von Kohlenstoff dar.

Die chinesischen Forscher testeten mit einem solchen Pulver, vermischten und zerkleinerten die Moleküle und erhitzten sie dann zwölf Stunden lang auf 1.200 Grad Celsius bei einer gleichzeitigen Druckeinwirkung von 25 Gigapascal. Danach wurde das Material ebenso lange wieder abgekühlt. Das Ergebnis: Eine einzigartige Kombination aus Festigkeit und Leitfähigkeit.

Die Forschungsergebnisse sind in der Zeitschrift National Science Review erschienen. An dem Experiment in China nahmen Wissenschaftler aus Schweden, den USA, Deutschland und Russland teil. Das neuartige Material soll nun der High-Tech-Industrie zu Gute kommen.

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Ein Beitrag von:

  • Sarah Janczura

    Sarah Janczura

    Sarah Janczura ist Content Manager und verantwortliche Redakteurin für ingenieur.de. Nach einem Volontariat mit dem Schwerpunkt Social Media war sie als Online-Redakteurin in einer Digitalagentur unterwegs. Sie schreibt über Technik, Forschung und Karrierethemen.

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