Dynamik der Singulett-Exzitonenspaltung

Forschende des Fritz-Haber-Instituts in Berlin, des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie MPSD in Hamburg und der Julius-Maxi­milians-Universität Würzburg haben wichtige neue Erkennt­nisse über einen Schlüssel­prozess für die Entwicklung effi­zienterer Solarzellen und anderer licht­basierter Technologien geliefert: die Singulett-Exzitonen­spaltung. Das Forschungsteam konnte verfolgen, wie sich die Moleküle in kristallinem Pentacen – einem vielversprechenden Material der Photovoltaik­forschung – während der Singulett-Spaltung in Echtzeit bewegen. Zudem zeigte das Team, dass eine kollektive Bewegung der Moleküle die mit diesem Prozess verbundenen schnellen Zeitskalen bewirken könnte.

Bestimmte organische molekulare Festkörper haben die Fähigkeit, den Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie deutlich zu erhöhen, und zwar dank der Singulett-Exzitonen­spaltung (SEF). Bei diesem Prozess werden zwei Elektronen-Loch-Paare, die Exzitonen, durch die Absorption eines Photons erzeugt. Aufgrund des hohen technologischen Potentials werden enorme Anstrengungen unternommen, um den Prozess grundlegend zu verstehen. Die Effizienz und Geschwindigkeit der Singulett-Exzitonen­spaltung wird von subtilen Details bestimmt, die mit der Anordnung der Moleküle im Material zusammen­hängen. Trotz einer Vielzahl von Studien zu diesem Thema gab es bislang jedoch keine Möglichkeit, in Echtzeit zu beobachten, wie genau sich die Moleküle bewegen, um den Vorgang zu ermöglichen. Für die Optimierung der genutzten Materialien und die Steigerung ihrer Effizienz ist das Verständnis dieses Puzzle­stücks jedoch von großer Bedeutung. 

Nun konnte das Forschungs­team verfolgen, wie sich Moleküle in einem kristallinen Material aus Pentacen-Molekülen während des Spaltungs­prozesses bewegen. Die Forscher verwendeten dazu die Femto­sekunden-Elektronen­beugung, welche Schnappschüsse der atomaren Struktur in Echtzeit einfängt, während sich der Prozess entfaltet. Da Pentacen aus besonders kleinen und leichten Atomen besteht, mussten die Messungen eine außer­gewöhnliche Stabilität und Auflösung erreichen. „Wir haben solche Experimente an einen Punkt gebracht, an dem sie auch mit diesen anspruchs­vollen Materialien umgehen können, was für die Chemie, Biologie und Material­wissenschaft sehr spannend ist", sagt Heinrich Schwoerer vom MPSD. „Die Messungen haben gezeigt, dass wirklich kollektive Molekular­bewegungen den SEF-Prozess in Pentacen begleiten. Konkret haben wir eine ultraschnelle deloka­lisierte Schwingung von Pentacen-Molekülen identi­fiziert, die einen effizienten Energie- und Ladungs­transfer über große Distanzen ermöglicht." 

Mithilfe modernster Theorie konnte das Team die molekularen Bewegungen aufdecken, die an dem anfänglichen Anregungs­ereignis beteiligt sind und wiederum molekulare Bewegungen auslösen, an denen viele Moleküle des Kristalls beteiligt sind. „Mit unserer Theorieanalyse konnten wir sehr komplexe Molekular­bewegungen auflösen. Es ist uns gelungen, eine dominante Bewegung zu identi­fizieren, bei der Moleküle gegeneinander gleiten. Diese kann nur durch die Kopplung elek­tronischer Anregungen an andere, stärker lokalisierte Molekular­bewegungen ausgelöst werden, die dann an diese, auch im Experiment beobachtete, Schlüssel­bewegung koppeln", sagt Mariana Rossi vom MPSD. Solche kollektiven atomaren Bewegungen könnten entscheidend sein, um zu erklären, wie sich die beiden beim SEF-Prozess erzeugten Exzitonen trennen können. Dies ist eine Voraussetzung, um ihre Ladungen in einem Solar­energiegerät zu extrahieren. 

„Einfach ausgedrückt beobachten wir, dass diese molekularen Bewegungen effizient die Kräfte neutra­lisieren, die die beiden Exzitonen gleich nach ihrer Erzeugung zusammen­halten", sagt Hélène Seiler, Post­doktorandin am FHI. „Die Bewegungen liefern eine mögliche Erklärung für den Ursprung der ultra­schnellen Zeitskalen, die mit der Spaltung verbunden sind, und ermöglichen so die hohe Effizienz der Umwandlung von Solar- in elektrische Energie.“ „Diese Arbeit liefert nicht nur wichtige Einblicke in den SEF-Prozess selbst, sondern zeigt auch, dass es möglich ist, atomare Bewegungen in komplexen, funktionalen organischen Fest­körpern aufzulösen, die äußerst empfindlich sind und aus leichten Atomen bestehen", sagt Sebastian Hammer von der Universität Würzburg.

MPSD / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Seiler et al.: Nuclear dynamics of singlet exciton fission in pentacene single crystals, Sci. Adv. 7, eabg0869 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abg0869
• Dynamik in Atomarer Auflösung, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie MPSD, Hamburg
• Structural & Electronic Surface Dynamics, Fritz-Haber-Institut, Berlin