Ultraschnelle Elektronenmessungen an Modellsystem für organischen Solarzellen
Ergebnisse lassen sich zur Entwicklung hochleistungsfähiger und effizienter Solarzellen nutzen.
Mit einem neuen Verfahren hat ein Forscherteam aus Deutschland und den USA erstmals die Prozesse in einem Modellsystem für organische Solarzellen innerhalb von Femtosekunden bis ins Detail analysiert. Die Ergebnisse lassen sich zur Entwicklung hochleistungsfähiger und effizienter Solarzellen nutzen. Der Schlüssel zu dem Verfahren sind ultraschnelle Lichtblitze, mit denen ein Team um Friedrich Roth von der TU Bergakademie Freiberg am FLASH in Hamburg, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich, arbeitet.
„Die besonderen Eigenschaften dieser Röntgenquelle haben wir uns zu Nutze gemacht und mittels der zeitaufgelösten Röntgen-Photoemissionsspektroskopie erweitert“, erklärt Roth. „So konnten wir erstmals direkt die spezifische Ladungstrennung und anschließende Prozesse beim Auftreffen von Licht auf ein Modellsystem, wie beispielsweise eine organische Solarzelle, analysieren. Außerdem konnten wir die Effizienz der Ladungstrennung in Echtzeit ermitteln.“
Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren konnten die Forscher einen vorher nicht beobachteten Kanal zur Ladungstrennung identifizieren. Mit der neuen Messmethodik können die Forscher eine zeitlich aufgelöste, atomspezifische Analyse durchführen. Damit erhalten sie einen Fingerabdruck, der dem zugehörigen Molekül zugeordnet werden kann. So sehen die Wissenschaftler, wann die durch den optischen Laser angeregten, Elektronen am Akzeptor-Molekül ankommen, wie lang sie dableiben und wann beziehungsweise wie sie wieder verschwinden.
Die Echtzeit-Analyse und die Messung interner Parameter sind wichtige Grundlagenforschung, die sich vor allem die Solarindustrie zu Nutze machen kann. „Mit unseren Messungen ziehen wir wichtige Rückschlüsse, an welchen Grenzflächen, freie Ladungsträger gebildet werden oder verloren gehen und somit die Leistung von Solarzellen schwächen“, so Roth. Mit den Erkenntnissen Forscher lassen sich so beispielsweise Optimierungsmöglichkeiten auf molekularer Ebene oder im Bereich der Materialwissenschaft ableiten und die Quanteneffizienz neu entstehender photovoltaischer und photokatalytischer Systeme optimieren.
TU Bergakademie Freiberg / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
F. Roth et al.: Direct observation of charge separation in an organic light harvesting system by femtosecond time-resolved XPS, Nat. Commun. 12, 1196 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-21454-3 - Strukturforschung mit XFELs und Synchrotronstrahlung, Institut für experimentelle Physik, Technische Universität Bergakademie Freiberg
