Forschende filmen den Weg von Licht zu Strom
Erfolg liefert fundamentale Bausteine für das Verständnis der physikalischen Prozesse, wie sie etwa in organischen Solarzellen stattfinden.
Physikern der Universität Graz ist gemeinsam mit Kolleg:innen der Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich ein wissenschaftlicher Durchbruch gelungen. Erstmals konnte die Geburt von elektrischer Energie aus Licht gefilmt und theoretisch beschrieben werden. Die Arbeit ist von weitreichender Bedeutung, unter anderem für die Optimierung nachhaltiger Energiegewinnung aus Photovoltaik.
Ob in Solarzellen oder bei der Photosynthese – wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, werden die Photonen vom Material absorbiert und regen dadurch Elektronen an. Dabei ändert sich deren räumliche Verteilung und es entsteht eine Bindung zwischen jeweils einem Elektron und dem entstandenen Elektronenloch. Diese Exzitonen spielen eine Schlüsselrolle in modernen optoelektronischen Materialien. Doch obwohl sie seit Jahrzehnten bekannt sind, blieb ihre innere quantenmechanische Struktur bislang weitgehend verborgen. „Nun ist es uns erstmals gelungen, die räumliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken nach seiner Entstehung experimentell zu rekonstruieren“, berichtet Peter Puschnig, Professor für Elektronische Struktur von Nanomaterialien am Institut für Physik der Universität Graz. „Die Messungen zeigen, dass das Elektron-Loch-Paar nach seiner Entstehung über etwa drei Moleküle ausgedehnt ist und dann bereits innerhalb der ersten rund vierhundert Femtosekunden um zirka ein Viertel schrumpft“, führt der Forscher aus.
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Um diese Entwicklung zu filmen, haben die Forschenden zuerst das Exziton mit Licht angeregt und dann die Elektronen mit einem hochenergetischen Laserpuls aus der Paar-Bindung herausgeschossen. „Misst man nun Energie und Richtung der Elektronen, lässt sich mit theoretischen Modellen auf ihren quantenmechanischen Zustand schließen. Durch das Variieren der Zeit zwischen der Anregung und dem folgenden Laserpuls erhält man unterschiedliche Momentaufnahmen des Exzitons, die sich zu einem Video der Quantenwelt zusammenfügen“, erklärt Puschnig.
Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit dreier Forschungsgruppen. Stefan Tautz und sein Team am Forschungszentrum Jülich stellten die organischen Halbleiterproben her, charakterisierten sie und transportierten sie unter Ultrahochvakuumbedingungen nach Marburg, sodass ihre außergewöhnliche Qualität bis zur Messung erhalten blieb. „Bei den Proben handelt es sich um hauchdünne, geordnete Filme aus dem stäbchenförmigen Molekül 6T, die auf eine speziell präparierte Kupferoberfläche aufgebracht wurden. Die präzise Ausrichtung der Moleküle und ihre gezielte Entkopplung vom Substrat sind wichtig, um das Exziton lange genug zu erhalten und seine Entstehung sichtbar zu machen“, erklärt Monja Stettner, die die Proben im Rahmen ihrer Dissertation hergestellt und die Experimente an der Universität Marburg begleitet hat. Dort führte die Gruppe um Ulrich Höfer die hochpräzisen Photoemissionsexperimente durch und wertete die Messdaten aus.
Am Institut für Physik der Universität Graz erarbeitete die Puschnig-Gruppe die theoretischen Konzepte zur Beschreibung der Photoemission aus Exzitonen, führte die quantenmechanischen Simulationen durch und entwickelte ein analytisches Modell, das die Interpretation der experimentellen Daten ermöglichte. „Mit unserem Modell lässt sich aus gemessenen Photoelektronenbildern direkt auf die räumliche Form und die innere quantenmechanische Phase der Exzitonwellenfunktion schließen“, erklärt Siegfried Kaidisch, der im Rahmen seiner Dissertation einen zentralen Beitrag zu dieser Arbeit geleistet hat. Auch die den Forschungen zugrunde liegende experimentelle Methode der Photoemission Orbital Tomography (POT) ist in der Arbeitsgruppe von Puschnig entwickelt und in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit dem Jülicher Team um Stefan Tautz zu einem international etablierten Werkzeug für die Untersuchung elektronischer Zustände in organischen Materialien ausgebaut worden. [U Graz / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
M. Theilen, S. Kaidisch, M. Stettner, et al., Observing the Spatial and Temporal Evolution of Exciton Wave Functions in Organic Semiconductors, Phys. Rev. X 16, 031054, 28. August 2026; DOI: 10.1103/3zmg-276c - Orbital Cinema (ERC synergy grant, 07/2023 – 06/2029, PIs: Stefan Tautz, Ulrich Höfer, Rupert Huber, Peter Puschnig), orbital-cinema.eu, Forschungszentrum Jülich
Anbieter
Universität GrazUniversitätsplatz 3
8010 Graz
Österreich
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