Bei nur wenigen molekularen Materialien wie Pentacen wird ein Photon in zwei Elektronen umgewandelt. Diese Anregungsverdopplung, die man als Exzitonenspaltung bezeichnet, könnte für die Entwicklung hocheffizienter Photovoltaik äußerst nützlich sein. Insbesondere um die vorherrschende Technologie auf Siliziumbasis zu verbessern. Ein Forschungsteam des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft (FHI), der TU Berlin und der Uni Würzburg hat einen ultraschnellen Film der Umwandlung von Photonen in Elektrizität aufgenommen. Damit konnte es eine jahrzehntealte Debatte über den Mechanismus der Exzitonenspaltung beenden.

Ultraschnelle Elektronenfilmkamera zeigt Mechanismus der Exzitonenspaltung

„Wenn Pentacen durch Licht angeregt wird, reagieren die Elektronen im Material darauf extrem schnell“, sagt Ralph Ernstorfer, ein Autor der Studie. „Bisher war umstritten, ob ein Photon zwei Elektronen direkt anregt oder zunächst ein Elektron. Welches dann seine Energie mit einem anderen Elektron teilt.“ Um dieses Rätsel zu lösen, verwendeten die Forscher:innen hochmoderne Technik. Dabei beoabachten sie die Dynamik von Elektronen auf der Femtosekunden-Zeitskala. Das ist ein Milliardstel einer Millionstel Sekunde. Mit einer ultraschnellen Elektronenfilmkamera konnten sie zum ersten Mal Bilder der extrem kurzlebigen angeregten Elektronen aufnehmen.

 „Diese Elektronen zu sehen, war entscheidend, um den Prozess zu entschlüsseln“, sagt Alexander Neef vom Fritz-Haber-Institut und Erstautor der Studie. „Ein angeregtes Elektron hat nicht nur eine bestimmte Energie, sondern bewegt sich auch in bestimmten Bahnen, die Orbitale genannt werden. Es ist viel einfacher, die Elektronen zu unterscheiden, wenn wir ihre Orbitalformen sehen können und wie sich diese mit der Zeit verändern.“ Anhand der Bilder aus dem ultraschnellen Elektronenfilm konnten die Forscher:innen die Dynamik der angeregten Elektronen erstmals anhand ihrer Orbitaleigenschaften zerlegen. „Wir können nun mit Sicherheit sagen, dass nur ein Elektron direkt angeregt wird, und haben den Mechanismus des Anregungs-Verdoppelungsprozesses identifiziert“, so Neef.

Die Kenntnis des Mechanismus der Exzitonenspaltung ist nach Ansicht der Forscher:innen eine wesentliche Voraussetzung für die Nutzung von Exzitonen für photovoltaische Anwendungen. Eine Silizium-Solarzelle, die man mit einem anregungsverdoppelnden Material verbessert, könnte den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität um ein Drittel erhöhen. Ein solcher Fortschritt könnte enorme Auswirkungen haben. Denn die Solarenergie ist die dominierende Energiequelle der Zukunft. Schon heute fließen große Investitionen in den Bau von Solarzellen der nächsten Generation.

21.4.2023 | Quelle: FHI | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH