Triplett-Zustände in organischen Halbleitern
Neue Detailanalyse könnte für effizientere Solarzellen genutzt werden.
Das Helmholtz-Zentrum Berlin und die Freie Universität Berlin betreiben gemeinsam das Berlin Joint EPR Lab, um die Rolle von Spin-Zuständen in Energie-Materialien zu analysieren. Ein internationales Team hat nun in organischen Halbleitern untersucht, wie durch Lichtabsorption erzeugte Singulett-Anregungszustände sich aufspalten. Sie konnten komplexe Anregungszustände beobachten, die deutlich länger als erwartet stabil blieben. Ihre Ergebnisse eröffnen neue Wege, um die Singulett-Aufspaltung gezielt zu nutzen, nicht nur für die Optimierung von Solarzellen, sondern auch in spintronischen Bauelementen.
Abb.: Anregungszustände des Elektronenspins könnten künftig dazu beitragen, Solarzellen noch effizienter zu machen. (Bild: L. Weiss, Cambrigde)
Licht kann in Halbleitermaterialien Atome oder Moleküle anregen und damit elektrische Ströme erzeugen. Nach diesem Prinzip funktionieren Solarzellen. In vielen Materialien erzeugt ein Photon ein Singulett-Exziton. In manchen Materialien kann dieses spontan in zwei neue Exzitonen aufspalten, die in einem Triplett-Zustand jeweils einen anderen Spin besitzen. Diese angeregten Triplett-Exzitonen wandern durch das Material und erzeugen im Idealfall wieder jeweils ein bewegliches Elektron und somit doppelt so viel elektrischen Strom wie ohne Singulett-Aufspaltung. Daher ist es hochinteressant Materialien in Solarzellen zu integrieren, in denen Singulett-Aufspaltung auftritt.
Die technische Umsetzung des Konzepts ist jedoch schwierig, denn die Triplett-Exzitonen-Paare zeichnen sich häufig durch extrem kurze Lebensdauern aus, die auch vom Spin-Zustand abhängen. Es ist daher aufschlussreich, die Spin-Zustände von der Erzeugung des Triplett-Paars bis zum Zerfall experimental zu beobachten. bNun hat ein Team um Jan Behrends, Juniorprofessor an der Freien Universität Berlin und dem Helmholtz-Zentrum Berlin HZB in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge den Spin-Zustand in einem organischen Halbleiter im Zeitverlauf gemessen. Am Berliner Joint EPR Lab konnte dazu die Methode der Elektronen-Paramagnetischen-Resonanz-Spektroskopie mit anderen Messverfahren kombiniert werden.
Jan Behrends und sein Team beobachteten in ihren Experimenten sowohl schwach als auch stark gekoppelte Spin-Zustände, was auf eine Koexistenz von unterschiedlichen Paaren hinweist. Außerdem konnten sie stark gekoppelte Zustände noch einige Mikrosekunden nach deren Erzeugung messen. Bisher waren sie davon ausgegangen, dass die Lebensdauer dieser Zustände viel kürzer ist. Um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, kommt es nun darauf an, die stark gekoppelten Spin-Zustände aufzuspalten. Auch über die Photovoltaik hinaus eröffnet diese Arbeit neue Möglichkeiten. So können die Erkenntnisse hilfreich sein, um schnelle und energieeffiziente elektronische Bauelemente zu entwickeln, die solche Spin-Eigenschaften ausnutzen.
HZB / JOL
