Elektronentransfer in Solarzellen
Bei der Umwandlung von Licht in Strom in organischen Solarzellen spielt die Wellenlänge der Elektronen eine wichtige Rolle.
Solarzellen sollen Licht möglichst effizient in elektrischen Strom umwandeln. Nun hat ein Team um Christoph Lienau und Jens Christoffers von der Universität Oldenburg festgestellt: Der quantenmechanische Wellencharakter der Elektronen spielt offensichtlich eine ganz entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit und Effizienz des Elektronentransfers.
Abb.: Lichtinduzierte Ladungsdichteverteilung innerhalb der supramolekularen Triade 30,48 Femtosekunden nach der optischen Anregung. Purpur entspricht einem Elektronenüberschuss, grün einem Elektronenmangel. (Bild: U. Oldenburg)
Organische Solarzellen absorbieren das Licht in einer Polymerschicht; aus ihr dringen anschließend Elektronen in die umliegende Akzeptorschicht. Dieser Elektronentransfer läuft auf enorm schnellen Zeitskalen von nur wenigen zehn oder hundert Femtosekunden ab. „Inspiriert von theoretischen Arbeiten unserer italienischen Kooperationspartner aus Modena haben wir ein vereinfachtes Modellsystem für eine organische Solarzelle, eine supramolekulare Triade, synthetisiert“, sagt Lienau.
Mit ausgeklügelten und zeitlich höchstauflösenden Lasertechniken gelang es der Oldenburger Physikerin Sarah Falke zusammen mit Partnern aus dem Team von Giulio Cerullo in Mailand, ein „Video“ der lichtinduzierten Elektronenbewegung aufzunehmen. „Wir konnten die optischen Eigenschaften dieser supramolekularen Triade zum ersten Mal mit einer Zeitauflösung von weniger als 10 Femtosekunden untersuchen“, sagt Falke. „Dabei sehen wir, wie die Elektronen als quantenmechanische Wellenpakete ein paar Mal zwischen Lichtabsorber und Elektronenakzeptor hin- und heroszillieren, bevor sie im Akzeptor gefangen bleiben.“
Entscheidend für diesen Erfolg war die enge Zusammenarbeit zwischen Chemie, experimenteller und theoretischer Physik. „Unsere Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Elementarprozesse der Licht-Strom-Wandlung in organischen Solarzellen“, sagt Lienau. „Wir versuchen, sie rasch durch Untersuchung weiterer Modellsysteme zu bestätigen und hoffen, dass ein verbessertes Verständnis des Elektronentransfers mittelfristig auch zur Effizienzsteigerung der Solarzellen beitragen wird.“ Die Arbeiten würfen aber auch neue Fragen auf: „Wir wissen zum Beispiel noch nicht genau, mit welchen quantenmechanischen Methoden wir die Licht-Strom-Wandlung in solch komplexen Solarzellen überhaupt quantitativ beschreiben können.“ Diese Fragen versuchen die Oldenburger Forscher im Rahmen des EU-Projekts „CRONOS: Modelling Ultrafast Dynamics in Materials“ zu beantworten.
U. Oldenburg / PH
