Anregung im Kollektiv

Molekulare Halbleiter gelten als innovative Lösungen für opto­elek­tro­nische Bau­ele­mente und haben sich auf dem Markt inzwischen durch­ge­setzt. Als orga­nische Leucht­dioden – kurz OLEDs – werden sie in High-End-Displays ein­ge­setzt, sind aber auch aus der Photo­voltaik nicht mehr weg­zu­denken. Hier gelten ihre ein­fache Ver­arbeit­bar­keit und die große Absorp­tion in dünnen Filmen als heraus­ragende Eigen­schaften. Ihre Wirkungs­grade bleiben jedoch hinter etab­lierten silizium­basierten Solar­zellen zurück. Die Ursachen dafür werden kontro­vers disku­tiert, was auf die komplexen physi­ka­lischen Eigen­schaften zurück­zu­führen ist. Dank einer erfolg­­reichen inter­natio­nalen und inter­diszi­pli­nären Koope­ra­tion sind Wissen­schaftler­teams der Unis Gießen und Marburg jetzt auf der richtigen Spur, damit in Zukunft sowohl die Material­aus­wahl als auch die Funktions­weise von orga­nischen Solar­zellen ver­bessert werden kann.

Die einzelnen molekularen Bausteine der molekularen Halbleiter sind unter­ein­ander nur schwach gebunden. Zudem können Fest­körper des­selben Moleküls mit­unter ver­schiedene Kristall­struk­turen annehmen. Diese Poly­morphismen unter­scheiden sich unter Umständen stark in ihren optischen und elek­tro­nischen Eigen­schaften, treten jedoch häufig als nano­kristal­line Gemische auf. Die Beschrei­bung der elektro­nischen Fest­körper­eigen­schaften stellt daher noch immer eine große Heraus­forde­rung dar. Man behilft sich häufig mit einer mole­ku­laren Beschrei­bung. An diesem Punkt setzen die Forschungs­arbeiten des Teams an. Die Forscher konnten zeigen, dass es in kristal­linen mole­ku­laren Fest­körpern starke Effekte gibt – und zwar durch räum­lich aus­ge­dehnte, über mehrere Mole­küle deloka­li­sierte Anre­gungen –, die einer voll­kommenen quanten­mecha­nischen Beschrei­bung mit fest­körper­theore­tischen Methoden bedürfen.

Das Team der Uni Gießen konnte die optischen Eigenschaften der funda­men­talen Anre­gungen detail­liert unter­suchen und so eine Referenz für die theo­retisch arbei­tenden Kollegen vor­geben. Das war erst durch die gezielte Her­stel­lung hoch­ge­ord­neter Perylen-Ein­kristalle der beiden kristal­linen Modifi­ka­tionen an der Uni Marburg möglich. Dem dortigen Team war es gelungen, mole­kular glatte Kristall­plätt­chen mit Dicken von weniger als 0,2 Mikro­meter her­zu­stellen, die des­halb noch halb­trans­parent sind. Präzise Berech­nungen von Forschern aus Israel und Boston ermög­lichten es, die benö­tigte Genauig­keit zu erzielen. In gemein­samer Anstren­gung gelang es den Forschern, anhand einer detail­lierten Analyse einer­seits die optischen Signa­turen den Fest­körper­eigen­schaften zuzu­ordnen und anderer­seits die Vali­dität der theo­re­tischen Beschrei­bung sicher­zu­stellen.

Es stellte sich heraus, dass für hochgeordnete Strukturen eine signi­fi­kante Deloka­li­sierung der Anre­gungen zu beob­achten ist, so dass eine Beschrei­bung auf moleku­larer Ebene – also für die ein­zelnen Bau­gruppen der Ein­kristalle – unzu­reichend ist. Ein Experi­ment-Theorie-Vergleich zeigte weiter­hin, dass Molekül­kristalle einer der beiden Modifi­ka­tionen trotz ihrer geringen Dicke in einem bestimmten Spektral­bereich als perfekter Spiegel fungieren und das Licht reflek­tieren. Dank dieser Kombi­nation aus Experi­ment und Theorie konnte ein besseres Ver­ständnis der Licht-Materie-Wechsel­wirkung in orga­nischen Halb­leitern erreicht werden. Die gewon­nenen Erkennt­nisse sollen in Zukunft dazu genutzt werden, die Material­aus­wahl und Funktions­weise von orga­nischen Solar­zellen zu ver­bessern.

JLU / RK