Pseudoteilchen in photoaktivem Material
Polaronen wandern durch Zinkoxid: wichtiger Prozess bei der Umwandlung von Lichtenergie gemessen.
Prozesse, die Licht in speicherbare Energie umwandeln, können wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen. Die Natur nutzt solche Prozesse schon seit Milliarden von Jahren bei der Photosynthese, um mithilfe von Licht Kohlenhydrate aufzubauen. In der Forschung gewinnt die Photokatalyse, die Licht nutzt, um chemische Prozesse zu beschleunigen, immer mehr an Bedeutung. Auch bei der Photovoltaik, die einfallendes Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt, haben Forscher in den vergangenen Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Der Wirkungsgrad hat sich stetig verbessert.
Allerdings sind die der Photovoltaik zugrunde liegenden Prozesse bis jetzt nur in groben Zügen erforscht. „Die Umwandlung der Photonen, das heißt Lichtteilchen, in elektrische Energie geschieht über mehrere Schritte“, erklärt Professor Christof Wöll, Leiter des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen. Zunächst absorbiert ein photoaktives Material Licht, das einzelne Elektronen von ihrem Platz löst, was an diesem ein Loch zurücklässt. Die Elektronen-Loch-Paare sind nur für kurze Zeit stabil. Danach zerfallen sie entweder unter Lichtabstrahlung oder sie spalten in ein Elektron und ein Loch auf, die sich dann unabhängig voneinander im Material bewegen. Was mit diesen geladenen Teilchen weiter geschieht, hängt vom Material ab.
Abb.: An dem photoaktiven Material Zinkoxid untersuchten die Wissenschaftler die Bildung und Bewegung von Polaronen. (Bild: P. Rinke, Aalto U.)
In den meisten Materialien sind freie Löcher nicht stabil, sondern werden unter Energieverlust in sogenannte Polaronen umgewandelt. Ein Polaron ist ein spezielles Pseudoteilchen, das sich aus einem Teilchen und dessen Wechselwirkung mit seiner Umgebung zusammensetzt. Die gebildeten Polaronen sind für längere Zeit stabil und wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden.
Forscher des KIT um Christof Wöll haben nun Experimente an dem photoaktiven Material Zinkoxid durchgeführt, um Bildung und Bewegung der Polaronen zu untersuchen. Dabei setzten sie eine am KIT entwickelte, weltweit einzigartige Apparatur zur Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie IRRAS mit einer zeitlichen Auflösung von hundert Millisekunden ein. Sie maßen Infrarotspektren an Zinkoxid-Einkristallen und beobachteten intensive Absorptionsbanden eines bislang unbekannten Pseudoteilchens.
Die Interpretation der Daten und die Identifikation dieses neuen Teilchens stellte die Karlsruher Forscher zunächst vor große Herausforderungen. Erst in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe, die am Fritz-Haber-Institut und im Exzellenzzentrum für Rechnergestützte Nanophysik COMP der Aalto University tätig ist, gelang es eindeutig, die Absorptionsbanden Loch-Polaronen zuzuordnen. „Ein wichtiges Ergebnis, das im Jahr 2015 als internationales Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien besonders erfreulich ist“, sagt Professor Wöll.
KIT / OD
