29.06.2018

Aus eins mach zwei

Singulett-Spaltung kann Effizienz von Solarzellen deutlich erhöhen.

Mehr Strom aus Solarzellen gewinnen und die Singulett-Spaltung besser erforschen. Daran arbeiten Natur­wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in einem gemeinsamen Forschungs­projekt mit dem Argonne-North­western Solar Energy Research (ANSER) Center der North­western University im US-amerikanischen Evanston. Die Singulett-Spaltung könnte die Effizienz von Solar­zellen deutlich erhöhen – und dank der neuesten Forschungs­ergebnisse rückt die Realisierung einen weiteren Schritt näher.

Abb.: Mit Hilfe der Singulett-Spaltung sollen Solarzellen höhere Effizienz erreichen. (Bild: B. S. Basel et al., Elsevier)

Der globale Energieverbrauch ist enorm gestiegen und wird sich auch in den kommenden Jahren kontinuierlich weiter nach oben entwickeln. Um den Bedarf zu decken und gleich­zeitig die Umwelt zu schonen, wird der Strom aus den erneuer­baren Energien Sonne, Wind, Wasser und Biomasse immer wichtiger. Doch nur rund sechs Prozent des in Deutschland erzeugten Brutto­stroms im Jahr 2017 wurden aus Photo­voltaik­anlagen gewonnen, und das Potenzial von gegen­wärtigen – auf Silizium basierenden Technologien – ist inzwischen fast voll­ständig ausgereizt.

Wenn Solarzellen Sonnenenergie in Strom umwandeln, ist der Wirkungs­grad sehr begrenzt. Aktuell liegt er lediglich bei 20 bis 25 Prozent. Neue Ansätze sind gefragt, um die Leistung der Solar­zellen signifikant zu erhöhen und mehr Strom zu erzeugen. Die Lösung könnte in physikalisch-chemischen Prozessen liegen, die die Effizienz der Solar­zellen deutlich verbessern. Mit einem viel­versprechenden Ansatz befassten sich Forscher der FAU und des ANSER-Center in einem gemeinsamen Forschungs­projekt im Rahmen der Emerging Fields Initiative (EFI) „Singlet fission in novel organic materials – an approach towards highly-efficient solar cells“. Die Forscher untersuchten den Mechanismus der Singlet Fission (SF), bei der ein Licht­teilchen zwei Elektronen anregt.

Das Prinzip der Singulett-Spaltung wurde bereits vor rund fünfzig Jahren entdeckt, doch erst vor knapp zehn Jahren erkannten Wissenschaftler aus den USA das Potenzial der SF für eine signifikante Effizienz­steigerung in organischen Solarzellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses genauer zu verstehen. Die Wissenschaftler der FAU – Dirk Guldi vom Lehrstuhl für physikalische Chemie I, Rik Tykwinski vom Lehr­stuhl für organische Chemie I (mittlerweile: University of Alberta, Canada), Michael Thoss vom Lehr­stuhl für theoretische Fest­körper­physik (mittler­weile: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) und Tim Clark vom Computer-Chemie-Centrum (CCC) – und ihr Kollege Michael Wasielewski vom ANSER-Center konnten nun einige außer­ordentlich bedeutsame Fragen zur SF klären.

In konventionellen Solarzellen wird im Optimalfall pro Photon ein Elektron als Träger des Stroms generiert. Benutzt man dagegen Dimere ausgewählter chemischer Verbindungen, können gleich zwei Elektronen auf benach­barten Molekülen in einen Zustand höherer Energie versetzt werden. Insgesamt generiert ein Licht­teilchen also zwei angeregte Elektronen, die wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können – aus eins mach zwei. Dieser Prozess kann im Optimalfall eine deutliche Steigerung der Leistung von Solarzellen mit sich bringen.

In ihrer Studie stellten die Wissenschaftler zunächst ein molekulares Dimer aus zwei Pentacen-Einheiten her. Dieser Kohlen­wasserstoff gilt als aussichts­reicher Kandidat für die Nutzung von Singulett-Spaltung in Solarzellen. Anschließend bestrahlten sie die Flüssigkeit mit Licht und untersuchten mit unterschiedlichen spektro­skopischen Methoden die photo­physikalischen Prozesse innerhalb des Moleküls.

Die Forscher gewannen dabei drei tief­gehende Erkenntnisse über den Mechanismus der intra­molekularen Singulett-Spaltung: Zum einen konnten sie beweisen, dass die Kopplung zu einem energetisch höher­gelegenen, ladungs­polarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der SF unerlässlich ist. Darüber hinaus verifizierten sie ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie vor Kurzem selbst aufgestellt und publiziert hatten. Und im dritten und letzten Schritt belegten sie die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Unter­einheiten. Mit dieser Arbeit zeigen die Wissenschaftler die Bedeutung eines wohl­überlegten Designs für SF-Materialien auf. Dies ist ein wichtiger Meilen­stein auf dem Weg zu SF-basierten photo­voltaischen Systemen zur Strom­erzeugung.

FAU / DE

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