Ladungstransfer in organischen Halbleitern in neuem Licht
Marburger Physiker entschlüsseln zentrale elektronische Anregungen in Modellkristallen – mit Bedeutung für organische Solarzellen.
Organische Halbleiter gelten als Schlüsselmaterialien für eine nachhaltige Optoelektronik, doch ihre elementaren Anregungsprozesse sind bis heute nur unvollständig verstanden. Ein Team um Doktorand Sebastian Anhäuser und Gregor Witte von der Arbeitsgruppe Molekulare Festkörperphysik an der Philipps-Universität Marburg zeigt nun, dass Ladungstransfer-Exzitonen – zentrale Vorstufen der Ladungstrennung – deutlich komplexer sind als bisher angenommen. Die Studie liefert erstmals ein konsistentes mikroskopisches Bild dieser Zustände und stellt mehrere verbreitete Annahmen der organischen Halbleiterphysik infrage.
Ein besseres Verständnis dieser fundamentalen Prozesse ist entscheidend für die Weiterentwicklung organischer Solarzellen, lichtemittierender Dioden (OLEDs) und weiterer optoelektronischer Bauelemente. Organische Materialien versprechen leichte, flexible und ressourcenschonende Technologien, doch ihr gezieltes Design erfordert tiefgehende Grundlagenkenntnisse. Um die komplexen Anregungszustände überhaupt untersuchen zu können, nutzten die Forschenden hochgeordnete Donor-Akzeptor-Kokristalle aus Acenen und perfluorierten Acenen. Diese Materialien bilden ideal strukturierte Modellsysteme mit definierter molekularer Ordnung und minimalen Defekten – im Gegensatz zu den sonst üblichen ungeordneten Materialmischungen. Erst diese Kokristalle ermöglichten es, Ladungstransfer-Exzitonen über einen großen Energiebereich hinweg und erstmals auch in ihrer optischen Polarisation präzise zu vermessen.
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„Ein Problem, das wir lösen mussten, war die Herstellung hochgeordneter, aber gleichzeitig ultradünner – nur etwa 100 Nanometer dicker – Kristalle, da die Moleküle sehr stark Licht absorbieren und man dickere Kristalle nicht mehr in Transmission spektroskopieren kann. Hierfür haben wir neue Verfahren entwickelt“, berichtet Witte.
Die Partnergruppe um Caterina Cocchi der Universität Jena steuerte Berechnungen aus moderner quantentheoretische Vielteilchenmodellierung bei. „Das gab ein konsistentes Bild von Experiment und Modell und trug auch dazu bei, das theoretische Verständnis von optischen Anregungen in solchen Kokristallen weiterzuentwickeln“, erklärt der Erstautor des Papers, Sebastian Anhäuser, der zum Thema promoviert.
Die Arbeit knüpft an eine langjährige Grundlagenforschung von Gregor Witte und seiner Marburger Arbeitsgruppe zu Exzitonen in organischen Festkörpern an. Seit vielen Jahren untersucht das Team, wie molekulare Ordnung, elektronische Wechselwirkungen und Lichtabsorption zusammenwirken und liefert mit der aktuellen Studie einen wichtigen Beitrag zur zentralen Fragestellung des inzwischen beendeten Sonderforschungsbereichs SFB 1083 „Struktur und Dynamik inneren Grenzflächen“. Das Paper bündelt diese Expertise und führt sie mit modernsten quantenphysikalischen Vielteilchenrechnungen zusammen – ein weiterer Schritt hin zu einem realistischen Verständnis organischer Halbleitermaterialien. [U Marburg / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
S. Anhäuser, A. M. Valencia, S. I. Ivlev, et al., Beyond the Edge: Charge-Transfer Excitons in Organic Donor-Acceptor Cocrystals, Adv. Funct. Mater., e30499, online 4. Februar 2026; DOI: 10.1002/adfm.202530499 - Jena Electronic Theory and Spectroscopy JETS (Caterina Cocchi), Institut für Festkörpertheorie und Optik, Friedrich-Schiller-Universität Jena
- AG Molekulare Festkörperphysik (Gregor Witte), Fachbereich Physik, Philipps-Universität Marburg
