10.03.2021 • Energie

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.

Abb.: Strahl­füh­rungen in der FLASH I-Experi­men­tier­halle „Albert...
Abb.: Strahl­füh­rungen in der FLASH I-Experi­men­tier­halle „Albert Ein­stein“. (Bild: H. Müller-Elsner, DESY)

„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

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