Aus eins mach zwei

Chemiker und Physiker der FAU wollen Effizienz von Solarzellen erheblich steigern

Den Strom aus Solarzellen verdoppeln? Klingt nicht nur anspruchsvoll, sondern ist es auch. Chemiker und Physiker der FAU arbeiten genau daran. Sie untersuchen die sogenannte Singulett-Spaltung, bei der ein Lichtteilchen zwei Elektronen anregt. Kürzlich konnten sie entscheidende Ergebnisse gewinnen, die helfen, den gesamten Prozess besser zu verstehen – und die ein Grundstein für deutlich effizientere Solarzellen sind.

Neu ist die Idee, die hinter der Singulett-Spaltung steckt eigentlich nicht – die Entdeckung des Prozesses liegt bereits 50 Jahre zurück. Richtig in Fahrt gekommen ist die Forschung daran jedoch erst in den letzten zehn Jahren, als Wissenschaftler aus den USA zum ersten Mal das Potenzial der „Singlet Fission“ für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen erkannten. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses genauer zu verstehen.

Was ist Singulett-Exziton?

Trifft ein Lichtteilchen auf ein Molekül und wird dort absorbiert, dann hebt es in diesem ein Elektron auf ein höheres Energieniveau. Dieser Zustand höherer Energie wird in der Fachsprache als „Singulett-Exziton“ bezeichnet.  Auf dem Weg zurück in seinen ursprünglichen, niedrigeren Energiezustand kann das Elektron über einen äußeren Stromkreis abgeführt werden – es entsteht elektrischer Strom. In einigen wenigen Fällen ist es möglich, dass ein Molekül seine überschüssige Energie benutzt, um ein zweites Molekül in einen angeregten Zustand zu versetzen. Im Anschluss an diesen Prozess befindet sich dann je ein Elektron in den beiden Molekülen auf einem höheren Energieniveau. Diese Zustände bezeichnet man als „Triplett-Exzitonen“. Insgesamt generiert ein Lichtteilchen also zwei angeregte Elektronen, die wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können – aus eins mach zwei.

Da die Singulett-Spaltung oft auf einer Zeitskala von Pikosekunden (1 Pikosekunde ist gleich 10^-12 Sekunden), das heißt einem Millionstel einer millionstel Sekunde abläuft, ist er bisher noch nicht vollständig verstanden und sehr schwer zu kontrollieren. Deshalb forschen die Erlanger Wissenschaftler um Prof. Dr. Dirk M. Guldi, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Prof. Rik R. Tykwinski, Lehrstuhl für Organische Chemie I, und Prof. Dr. Michael Thoss, Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik, daran, diesen Prozess umfassend zu verstehen und anschließend gezielt zu steuern und zu beeinflussen. Unterstützt werden sie dabei von der Emerging Fields Initiative der FAU.

In ihrer Studie untersuchten sie Pentacen-Dimere – ein Kohlenwasserstoff und ein aussichtsreicher Kandidat für die Nutzung von Singulett-Spaltung in Solarzellen – in einem organischen Lösungsmittel. Sie bestrahlten die Flüssigkeit mit Licht, um zu sehen, wie die Moleküle auf die Strahlung reagieren, ob der Prozess stattfindet und wenn ja, nach welchem Mechanismus und in welchem Maße. Dabei variierten sie verschiedene Parameter wie zum Beispiel die räumliche Nähe und Lage sowie die elektronische Kommunikation zwischen den einzelnen Pentacen-Molekülen. Die Antwort der Moleküle auf die Bestrahlung erfassten sie mit speziellen Laserspektrometern mit denen sich solche ultraschnellen Prozesse messen lassen, die innerhalb weniger Pikosekunden ablaufen.

Ihr Ergebnis:

Die räumliche Anordnung der Moleküle und deren Abstand sind ein entscheidender Parameter. Ein weiterer Erfolgsfaktor: eine ausreichende elektronische Kopplung, also die Kommunikation der beiden am Prozess beteiligten Pentacene auf elektronischer Ebene. Diese kann je nach räumlicher Orientierung der Moleküle entweder über die chemische Bindung oder direkt durch den Raum vermittelt werden. In ihren Experimenten schafften die Forscher es schließlich, die Erzeugung von Triplett von, für Pentacen üblichen, 16 Prozent auf bemerkenswerte 156 Prozent zu steigern.

Als nächstes wollen die Wissenschaftler ausgehend von ihren Ergebnissen verschiedene andere, auf Pentacen basierende Moleküle herstellen und untersuchen. Damit wollen sie die molekulare Struktur Schritt für Schritt optimieren und schließlich Systeme entwerfen, die sich noch besser für die Singulett-Spaltung und damit als Basis für hocheffiziente Solarzellen aus umweltfreundlichen und kostengünstigen Materialien eignen. Langfristig könnte sich mithilfe dieser Methode der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 44 Prozent steigern lassen. Aktuell liegt der theoretische Grenzwert bei rund 30 Prozent für siliziumbasierte Solarzellen, in der Praxis ist die erreichte Effizienz mit etwa 20 Prozent jedoch deutlich geringer.

Den englischen Abstract finden Sie im Online-Magazin PNAS: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1422436112

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Dirk M. Guldi
Tel.: 09131/85-27340
dirk.guldi@fau.de

Prof. Rik R. Tykwinski
Tel.: 09131/85-22540
rik.tykwinski@fau.de

Prof. Dr. Michael Thoss
Tel.: 09131/85-28834
michael.thoss@physik.uni-erlangen.de