Grenzflächenzustand fängt Ladungsträger

Die Energie der Sonne in Strom oder Wasserstoff umzuwandeln, gelingt mit einer ganzen Reihe von Mate­ri­alien. Eine wichtige Klasse von orga­nischen Solar­zellen besteht aus Farb­stoffen, die auf dem Halb­leiter­material Titan­dioxid aufge­tragen sind. Dabei dienen die Farb­stoff­moleküle als eine Art Über­setzer für die Sonnen­energie. Sie fangen das Licht ein, wobei freie Ladungen ent­stehen, die dann im Titan­dioxid den Strom­fluss ermög­lichen. Aller­dings ist Titan­dioxid längst nicht optimal, Zink­oxid sollte auf­grund seiner Eigen­schaften eigent­lich viel besser als Elek­troden­material geeignet sein. Denn in Zink­oxid sind die Ladungs­träger wesent­lich mobiler, so dass sie nach der Ladungs­trennung rascher ab­fließen sollten. Außerdem lassen sich mit Zink­oxid auf einfache Weise Nano­archi­tek­turen her­stellen, die das Sonnen­licht besonders effi­zient ein­fangen.

Dennoch ist es bisher nicht gelungen, mit Zink­oxid Solar­zellen zu bauen, die besser sind als die­jenigen auf Titan­dioxid. Ein Team um Emad Aziz vom Helm­holtz-Zentrum Berlin für Mate­ri­alien und Energie hat nun erst­mals die Ursache direkt beob­achtet im Detail unter­sucht. Die Unter­suchungen wurden am „Joint Ultra­fast Dynamics Lab in Solu­tions and at Inter­faces“ des HZB und der FU Berlin durch­ge­führt. Es ver­fügt über eine Reihe modern­ster Laser­instru­mente, darunter auch ein zeit­auf­ge­löstes Photo­elek­tron­spektro­meter, das ultra­kurze XUV-Pulse von unter 45 Femto­sekunden Dauer er­zeugen kann. Diese ultra­kurzen Licht­blitze ermög­lichen es, sowohl die zeit­liche als auch energe­tische Ent­wicklung ange­regter Zustände in ultra­kurzen Zeit­ab­schnitten zu ver­folgen.

„Unsere Messungen zeigen erstmals direkt, dass Ladungs­träger durch Bildung eines Grenz­flächen­zu­stands zwischen Farb­stoff und Halb­leiter an dessen Ober­fläche ein­ge­fangen werden. Dadurch stehen sie nicht mehr un­mittel­bar als freie Ladungs­träger zur Ver­fügung“, erklärt Mario Borg­wardt, Doktorand im Team Aziz. Diese einge­fangenen Elek­tronen im Grenz­flächen­zu­stand bleiben länger an Ort und Stelle. Dadurch erhöht sich die Wahr­schein­lich­keit, dass sie durch Re­kom­bi­nation wieder ver­loren gehen. Das redu­ziert den Wirkungs­grad der Solar­zelle.

„Die Arbeit führt zu einem besseren Verständnis der Pro­zesse an der Grenz­fläche zwischen Farb­stoff­molekül und Halb­leiter“, er­läutert Aziz. „Wir haben damit ver­standen, wie Farb­stoff und Halb­leiter­material mit­ein­ander kommu­ni­zieren. Damit können wir nun Ansätze finden, diese Kommu­ni­kation ge­zielt zu ver­bessern. Das ist nicht nur für das Design von Farb­stoff­solar­zellen wichtig, sondern auch um Material­systeme für die photo­kata­ly­tische Her­stellung von Wasser­stoff ent­wickeln zu können, also für die Speicherung von Sonnen­energie in Form des Brenn­stoffs Wasser­stoff.“

HZB / RK