Elektronen-Katapult: Neues Designprinzip für effizientere Solarzellen
Elektronen springen in 18 Femtosekunden über Materialgrenzen. Cambridge entdeckt ein neues Designprinzip für effizientere Solarzellen.
Dr. Pratyush Ghosh im Labor der Universität Cambridge: Der Physiker untersuchte mit ultraschnellen Lasermethoden, wie molekulare Schwingungen Elektronen in organischen Solarzellen über Materialgrenzen treiben können.
Foto: Nordin Ćatić / St John’s College, Cambridge
Solarzellen funktionieren nur dann effizient, wenn sich elektrische Ladungen möglichst schnell trennen. Ein internationales Forschungsteam hat nun beobachtet, dass Elektronen dabei viel schneller unterwegs sein können als bisher angenommen. In bestimmten organischen Materialien werden sie durch molekulare Schwingungen regelrecht „geschleudert“.
Die Messungen zeigen: Die Ladungstrennung kann innerhalb von nur 18 Femtosekunden erfolgen – also in weniger als 20 Billiardstel Sekunden. Die Beobachtung stellt bisherige Designregeln für organische Solarzellen infrage.
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Elektronen bewegen sich im Takt der Moleküle
Die Forschenden nutzten ultraschnelle Lasermessungen, um die ersten Momente nach der Absorption von Licht zu untersuchen. In dieser Phase entscheidet sich, ob ein Material die eingestrahlte Energie effizient in Strom umwandeln kann.
Die Experimente zeigen, dass sich Elektronen nicht nur zufällig durch das Material bewegen. Stattdessen werden sie durch molekulare Schwingungen gezielt über eine Grenzfläche transportiert.
„Wir haben bewusst ein System entwickelt, das nach herkömmlicher Theorie keine so schnelle Ladungsübertragung ermöglichen sollte“, erklärte Dr. Pratyush Ghosh vom St John’s College in Cambridge. „Nach den herkömmlichen Konstruktionsregeln hätte dieses System langsam sein müssen, und genau das macht das Ergebnis so bemerkenswert.“
Die Messungen zeigen eine Art gerichteten Transport. „Anstatt zufällig zu driften, wird das Elektron in einem einzigen kohärenten Impuls ausgestoßen. Die Schwingung wirkt wie ein molekulares Katapult. Die Schwingungen begleiten den Prozess nicht nur, sie treiben ihn aktiv voran.“
Was in einer Femtosekunde passiert
Eine Femtosekunde entspricht einem Billiardstel einer Sekunde. Auf dieser extrem kurzen Zeitskala bewegen sich Atome innerhalb von Molekülen. Die Forschenden beobachteten, dass sich Elektronen nahezu im gleichen Rhythmus bewegen wie diese atomaren Schwingungen.
„Wir beobachten praktisch, wie Elektronen im gleichen Takt wie die Atome selbst wandern“, sagte Ghosh. Die Ladung überquerte dabei eine Materialgrenze innerhalb von 18 Femtosekunden. Das ist schneller als bei vielen bekannten organischen Solarzellen.
Der kritische Schritt in jeder Solarzelle
Wenn Licht auf ein organisches Halbleitermaterial trifft, entsteht zunächst ein sogenanntes Exziton. Dabei handelt es sich um ein gebundenes Paar aus negativem Elektron und positivem „Loch“.
Damit Strom fließen kann, muss sich dieses Paar trennen. Das Elektron wandert in ein anderes Material, während das Loch zurückbleibt. Dieser Prozess entscheidet über die Effizienz der Solarzelle.
Bisher galt eine einfache Regel:
- Ein schneller Ladungstransfer benötigt einen großen Energieunterschied zwischen den Materialien.
- Gleichzeitig muss die elektronische Kopplung stark sein.
Beides hat jedoch Nachteile. Große Energieunterschiede senken die erreichbare Spannung einer Solarzelle. Dadurch geht ein Teil der Energie verloren.
Ein bewusst „schwaches“ Materialsystem
Um diese Annahmen zu testen, konstruierte das Team ein Materialsystem, das eigentlich ungünstig für schnellen Ladungstransfer sein sollte. Ein Polymer-Donor wurde mit einem sogenannten Nicht-Fulleren-Akzeptor kombiniert. Zwischen beiden Materialien lag kaum Energieunterschied. Auch die elektronische Wechselwirkung war minimal.
Nach klassischen Modellen hätte die Ladungstrennung deshalb langsam verlaufen müssen. Stattdessen zeigte sich das Gegenteil. Das Elektron überquerte die Grenzfläche extrem schnell. „Es ist außergewöhnlich, dies auf dieser Zeitskala innerhalb einer einzigen Molekülschwingung zu beobachten“, sagte Ghosh.
Schwingungen treiben den Elektronentransport an
Die Laserexperimente zeigten, was im Material passiert. Nach der Absorption von Licht beginnen bestimmte chemische Bindungen im Polymer hochfrequent zu schwingen.
Diese Schwingungen verändern kurzfristig die elektronischen Zustände im Material. Dadurch erhält das Elektron einen gerichteten Impuls, der es über die Grenzfläche transportiert. Physiker sprechen hier von ballistischem Transport – also einer Bewegung ohne zufällige Streuung.
Bemerkenswert ist auch, dass das Elektron nach dem Transfer eine neue kohärente Schwingung im Akzeptormolekül auslöst. „Diese kohärente Schwingung ist ein eindeutiger Fingerabdruck dafür, wie schnell und sauber der Transfer erfolgt.“
Neue Regeln für das Materialdesign
Die Ergebnisse zeigen, dass die Geschwindigkeit der Ladungstrennung nicht allein von der elektronischen Struktur eines Materials abhängt. Auch die Moleküldynamik, also die Bewegung der Atome, spielt eine entscheidende Rolle.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ultimative Geschwindigkeit der Ladungstrennung nicht nur durch die statische elektronische Struktur bestimmt wird“, sagte Ghosh. „Sie hängt davon ab, wie Moleküle schwingen. Das gibt uns ein neues Designprinzip.“
Auch Professor Akshay Rao vom Cavendish Laboratory sieht darin eine neue Perspektive für Materialentwicklung. „Anstatt zu versuchen, die Molekularbewegung zu unterdrücken, können wir nun Materialien entwickeln, die sie nutzen – und so Schwingungen von einer Einschränkung in ein Werkzeug verwandeln.“
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