Physiker filmen erstmals, was passiert, bevor aus Licht Strom wird
Physiker verfolgen erstmals, wie sich ein Exziton nach einem Lichtblitz verändert – ein wichtiger Prozess auch für organische Solarzellen.
Peter Puschnig (Mitte) von der Universität Graz mit Doktorand Siegfried Kaidisch (links) und Postdoktorand Christian Kern. Das Team untersucht die ultraschnelle Entwicklung von Exzitonen in organischen Halbleitern.
Foto: Uni Graz / Angele
Was geschieht in einem organischen Halbleiter unmittelbar nachdem Licht auf ihn trifft? Forschende aus Graz, Marburg und Jülich konnten erstmals verfolgen, wie sich die Wellenfunktion eines Exzitons innerhalb weniger hundert Femtosekunden verändert. Die Methode liefert einen ungewöhnlich direkten Blick auf einen Prozess, der auch für organische Solarzellen wichtig ist.
Ein Lichtblitz trifft auf ein Material – und wenige Augenblicke später hat sich dessen elektronischer Zustand verändert. Dazwischen liegen Vorgänge, die so schnell und so klein sind, dass sie sich einer direkten Beobachtung weitgehend entziehen.
Einem Forschungsteam der Universität Graz, der Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, einen solchen Prozess über die Zeit zu verfolgen. Die Forschenden rekonstruierten, wie sich ein sogenanntes Exziton unmittelbar nach seiner Entstehung räumlich verändert. Die Ergebnisse erschienen am 28. August 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review X.
Inhaltsverzeichnis
Was passiert, wenn Licht auf das Material trifft?
Trifft Licht auf einen organischen Halbleiter, kann ein Photon seine Energie auf ein Elektron übertragen. Das Elektron gelangt dadurch in einen angeregten Zustand. Zurück bleibt ein sogenanntes Elektronenloch.
Elektron und Loch ziehen sich elektrisch an und bilden zunächst ein gebundenes Paar: ein Exziton. Solche Exzitonen spielen eine zentrale Rolle in organischen Halbleitern und damit beispielsweise in organischen Solarzellen, Leuchtdioden und anderen optoelektronischen Bauteilen.
Bei organischen Solarzellen muss diese Bindung später aufgebrochen werden. Erst wenn sich Elektron und Loch voneinander trennen, können freie Ladungsträger entstehen und schließlich elektrischer Strom fließen.
Wie schnell dieser nächste Schritt ablaufen kann, haben andere Forschende bereits untersucht. In bestimmten organischen Materialien wechselten Elektronen innerhalb von nur 18 Femtosekunden über eine Grenzfläche. Mehr dazu in unserem Beitrag „Elektronen-Katapult: Neues Designprinzip für effizientere Solarzellen“. Die neue Studie setzt noch einen Schritt früher an: Sie zeigt, wie sich das Exziton selbst kurz nach seiner Entstehung verändert.
Innerhalb von 400 Femtosekunden wird das Exziton kleiner
Das Ergebnis lässt sich in zwei Zahlen zusammenfassen: drei Moleküle und 400 Femtosekunden. Unmittelbar nach seiner Entstehung ist das untersuchte Exziton kohärent über ungefähr drei Moleküle verteilt. Die Universität Graz gibt seine anfängliche räumliche Ausdehnung mit etwa 1,5 nm an.
Dieser Zustand verändert sich fast augenblicklich. Innerhalb von rund 400 Femtosekunden schrumpft der gemessene Exzitonenradius um etwa 25 %. Eine Femtosekunde entspricht 10^-15 s – also einer Billiardstelsekunde.
Die Messungen deuten darauf hin, dass sich das Exziton zunehmend lokalisiert. Als möglichen Mechanismus nennen die Forschenden die Kopplung des Exzitons an Schwingungen des Materials, die sogenannte Exziton-Phonon-Kopplung. Das Paper spricht dabei ausdrücklich von einem Hinweis auf eine solche Selbstlokalisierung, nicht von einem abschließend bewiesenen Mechanismus.
Exzitonen selbst standen bereits bei einer anderen neuen Messmethode im Mittelpunkt. Forschende konnten damit sogenannte dunkle Exzitonen beobachten. Wie das funktioniert, erklären wir im Beitrag „Blick ins Dunkle für bessere Solarzellen, Sensoren und LEDs“.
Eine Kamera kann diesen „Film“ nicht aufnehmen
Das Wort „filmen“ ist durchaus passend, braucht aber eine Erklärung. Eine Kamera nimmt das Exziton nicht direkt auf. Die Forschenden verwenden dafür eine Methode namens zeitaufgelöste Photoemissions-Orbitaltomografie, kurz trPOT. Zunächst erzeugt ein ultrakurzer Laserpuls das Exziton im Material. Mit einer genau eingestellten Verzögerung folgt ein zweiter, energiereicher Laserpuls. Er löst ein Elektron aus dem angeregten Zustand heraus.
Anschließend messen die Forschenden Energie und Flugrichtung dieser Elektronen.Direkt sichtbar wird dabei zunächst ihre Verteilung im Impulsraum. Ein theoretisches Modell ermöglicht es anschließend, daraus die Wellenfunktion des Exzitons im realen Raum zu rekonstruieren – einschließlich ihrer räumlichen Ausdehnung und ihrer inneren quantenmechanischen Phase.
Wird der Abstand zwischen den beiden Laserpulsen verändert, entstehen Momentaufnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Aneinandergereiht lässt sich daraus verfolgen, wie sich das Exziton innerhalb weniger hundert Femtosekunden entwickelt.
„Durch das Variieren der Zeit zwischen der Anregung und dem folgenden Laserpuls erhält man unterschiedliche Momentaufnahmen des Exzitons, die sich zu einem Video der Quantenwelt zusammenfügen“, erklärt Peter Puschnig von der Universität Graz.
Warum ausgerechnet organische Moleküle?
Für das Experiment verwendete das Team dünne Filme aus Alpha-Sexithiophen (α-6T), einem organischen Halbleiter. Die länglichen Moleküle wurden geordnet auf eine speziell präparierte Kupferoberfläche aufgebracht.
Das Forschungszentrum Jülich stellte und charakterisierte die Proben. Anschließend wurden sie unter Ultrahochvakuum nach Marburg transportiert. Die kontrollierte Anordnung der Moleküle und ihre Entkopplung von der Metalloberfläche sorgen dafür, dass das Exziton lange genug erhalten bleibt, um untersucht werden zu können. Die eigentlichen Photoemissionsmessungen führte das Team in Marburg durch, die Modelle und quantenmechanischen Berechnungen entstanden vor allem in Graz.
Der Versuchsaufbau ist damit weit von einer fertigen Solarzelle entfernt. Gerade deshalb eignet er sich aber dazu, einen einzelnen elementaren Prozess möglichst genau zu untersuchen.
Was bringt das für Solarzellen?
Die Forschenden haben nicht gefilmt, wie eine Solarzelle Strom erzeugt. Die Formulierung „vom Licht zum Strom“ beschreibt vielmehr die physikalische Prozesskette, an deren Anfang die untersuchte Exzitonbildung steht. Das Ergebnis ist zunächst Grundlagenforschung.
Für die Entwicklung organischer Halbleiter ist sie dennoch interessant. Die neue Methode zeigt experimentell, über wie viele Moleküle sich eine elektronische Anregung erstreckt und wie sich diese Verteilung innerhalb kürzester Zeit verändert. Solche Daten helfen dabei, theoretische Modelle zu überprüfen, mit denen Energietransport und Ladungstrennung in organischen Materialien beschrieben werden.
Gerade die Architektur organischer Solarzellen beeinflusst, wie gut sich Elektronen und Löcher voneinander trennen lassen. Welche Rolle die Grenzflächen dabei spielen, zeigt unser Beitrag „Warum organische Solarzellen bisher falsch gebaut wurden“. Wie klassische Solarzellen Licht in elektrische Energie umwandeln, erklären wir ausführlich im Ratgeber „Wie funktionieren eigentlich Solarzellen?“.
Als Nächstes geht es tatsächlich um die Ladungstrennung
Der nächste Schritt des Forschungsteams führt näher an die eigentliche Stromerzeugung heran. Die Wissenschaftler wollen ihre Methode auf sogenannte Donor-Akzeptor-Systeme anwenden. In solchen Materialkombinationen kann sich das angeregte Elektron vom Loch lösen und auf ein anderes Molekül beziehungsweise einen anderen Materialbereich übergehen. „Dieser Prozess entscheidet darüber, wie effizient Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden kann“, sagt Puschnig.
Die Arbeiten gehören zum europäischen Forschungsprojekt „Orbital Cinema“. Das Projekt läuft von Juli 2023 bis Juni 2029 und wird über einen ERC Synergy Grant mit rund 11,35 Mio. € finanziert. Sein Ziel: Bewegungen und Veränderungen elektronischer Zustände auf Femto- bis Attosekunden-Zeitskalen sichtbar zu machen.
Quellen
- Physical Review X: Observing the Spatial and Temporal Evolution of Exciton Wave Functions in Organic Semiconductors
- Universität Graz: Elektrisierend: Forschende filmen die ersten Augenblicke auf dem Weg von Licht zu Strom
- Europäische Kommission – CORDIS: Orbital Cinema – Photoemission Orbital Cinematography
Ein Beitrag von:
