20.04.2023 • Energie

Ein Photon rein, zwei Elektronen raus

Exzitonenspaltung für die Entwicklung hocheffizienter Photovoltaik.

Die Photovoltaik ist eine Schlüssel­technologie für eine nachhaltige Energie­versorgung. Bei nur wenigen molekularen Materialien wie Pentacen wird ein Photon in zwei Elektronen umgewandelt. Diese Anregungs­verdopplung, die als Exzitonenspaltung bezeichnet wird, könnte für die Entwicklung hocheffizienter Photovoltaik äußerst nützlich sein, insbesondere um die vorherr­schende Technologie auf Silizium­basis zu verbessern. Ein Forschungsteam des Fritz Haber Instituts, der TU Berlin und der Universität Würzburg hat einen ultraschnellen Film der Umwandlung von Photonen in Elektrizität aufgenommen und damit eine jahrzehnte­alte Debatte über den Mechanismus des Prozesses beendet.

Abb.: Exzitonenspaltung: In Pentacen wird ein Photon in zwei Elektronen...
Abb.: Exzitonenspaltung: In Pentacen wird ein Photon in zwei Elektronen umgewandelt. (Bild: TU Berlin)

„Wenn Pentacen durch Licht angeregt wird, reagieren die Elektronen im Material darauf extrem schnell“, erklärt FHI-Forscher Ralph Ernstorfer. „Bisher war umstritten, ob ein Photon zwei Elektronen direkt anregt oder zunächst ein Elektron, welches dann seine Energie mit einem anderen Elektron teilt.“ Um dieses Rätsel zu lösen, verwendeten die Forscher hochmoderne Technik zur Beobachtung der Dynamik von Elektronen auf der Femto­sekunden-Zeitskala. Mit einer ultra­schnellen Elektronen­filmkamera konnten sie zum ersten Mal Bilder der extrem kurzlebigen angeregten Elektronen aufnehmen.

„Diese Elektronen zu sehen, war entscheidend, um den Prozess zu entschlüsseln“, sagt Alexander Neef vom FHI. „Ein angeregtes Elektron hat nicht nur eine bestimmte Energie, sondern bewegt sich auch in bestimmten Orbitalen. Es ist viel einfacher, die Elektronen zu unterscheiden, wenn wir ihre Orbital­formen sehen können und wie sich diese mit der Zeit verändern.“ Anhand der Bilder aus dem ultra­schnellen Elektronen­film konnten die Forscher die Dynamik der angeregten Elektronen erstmals anhand ihrer Orbital­eigenschaften zerlegen. „Wir können nun mit Sicherheit sagen, dass nur ein Elektron direkt angeregt wird, und haben den Mechanismus des Anregungs-Verdoppelungs­prozesses identi­fiziert“, sagt Neef.

Die Kenntnis des Mechanismus der Exzitonen­spaltung ist eine wesentliche Voraus­setzung für die Nutzung von Exzitonen für photovoltaische Anwendungen. Eine Silizium-Solarzelle, die mit einem anregungs­verdoppelnden Material verbessert wurde, könnte den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnen­energie in Elektrizität um ein Drittel erhöhen. Ein solcher Fortschritt könnte enorme Auswirkungen haben, da die Solarenergie die domi­nierende Energiequelle der Zukunft sein wird. Schon heute fließen große Investi­tionen in den Bau von Solarzellen der nächsten Generation.

FHI / JOL

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