Meilenstein auf dem Weg zur effizienten Solarzelle

Wissenschaftler der FAU und des ANSER-Center erforschen Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung

Mehr Strom aus Solarzellen gewinnen und die sogenannte Singulett-Spaltung besser erforschen. Daran arbeiten Naturwissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center der Northwestern University im US-amerikanischen Evanston. Die Singulett-Spaltung könnte die Effizienz von Solarzellen deutlich erhöhen – und dank der neuesten Forschungsergebnisse rückt die Realisierung einen weiteren Schritt näher. Publiziert wurden die Ergebnisse in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Chem“*.

Der globale Energieverbrauch ist enorm gestiegen und wird sich auch in den kommenden Jahren kontinuierlich weiter nach oben entwickeln. Um den Bedarf zu decken und gleichzeitig die Umwelt zu erhalten, wird der Strom aus den erneuerbaren Energien Sonne, Wind, Wasser und Biomasse immer wichtiger. Doch nur rund sechs Prozent des in Deutschland erzeugten Bruttostroms im Jahr 2017 wurden aus Photovoltaikanlagen gewonnen, und das Potenzial von gegenwärtigen – auf Silizium basierenden Technologien – ist inzwischen fast vollständig ausgereizt.

Mehr Strom aus Solarzellen gewinnen

Wenn Solarzellen Sonnenenergie in Strom umwandeln, ist der Wirkungsgrad sehr begrenzt. Aktuell liegt er lediglich bei 20 bis 25 Prozent. Neue Ansätze sind gefragt, um die Leistung der Solarzellen signifikant zu erhöhen und mehr Strom zu erzeugen. Die Lösung könnte in physikalisch-chemischen Prozessen liegen, die die Effizienz der Solarzellen deutlich verbessern. Mit einem vielversprechenden Ansatz befassten sich Naturwissenschaftler der FAU und des ANSER-Center in einem gemeinsamen Forschungsprojekt im Rahmen der Emerging Fields Initiative (EFI) „Singlet fission in novel organic materials – an approach towards highly-efficient solar cells“. Die Forscher untersuchten den Mechanismus der sogenannten Singulett-Spaltung – im Englischen Singlet Fission (SF) –, bei der ein Lichtteilchen zwei Elektronen anregt.

Singulett-Spaltung besser verstehen

Das Prinzip der Singulett-Spaltung wurde bereits vor rund 50 Jahren entdeckt, doch erst vor knapp zehn Jahren erkannten Wissenschaftler aus den USA das Potenzial der SF für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses genauer zu verstehen. Die Wissenschaftler der FAU – Prof. Dr. Dirk Guldi vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Prof. Rik Tykwinski vom Lehrstuhl für Organische Chemie I (mittlerweile: University of Alberta, Canada), Prof. Dr. Michael Thoss vom Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik (mittlerweile: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) und Prof. Dr. Tim Clark vom Computer-Chemie-Centrum (CCC) – und ihr Kollege Prof. Michael Wasielewski vom ANSER-Center konnten nun einige außerordentlich bedeutsame Fragen zur SF klären.

Tiefgehende Einblicke in den Prozess

Trifft ein Lichtteilchen aus dem Sonnenlicht auf ein Molekül und wird dort aufgenommen, hebt es das Elektron auf ein höheres Energieniveau. Ein organisches Molekül wird durch die Absorption eines Photons also in einen Zustand höherer Energie versetzt. Aus dieser – vorübergehend im Molekül gespeicherten Energie – kann in Solarzellen elektrischer Strom gewonnen werden. In konventionellen Solarzellen wird im Optimalfall pro Photon ein Elektron als Träger des Stroms generiert. Benutzt man dagegen Dimere ausgewählter chemischer Verbindungen, können gleich zwei Elektronen auf benachbarten Molekülen in einen Zustand höherer Energie versetzt werden. Insgesamt generiert ein Lichtteilchen also zwei angeregte Elektronen, die wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können – aus eins mach zwei. Dieser Prozess wird als SF bezeichnet und kann im Optimalfall eine deutliche Steigerung der Leistung von Solarzellen mit sich bringen. Den Mechanismus dahinter haben die Chemiker und Physiker der FAU und des ANSER-Center genauer untersucht und damit das Verständnis des SF-Prozesses deutlich vertieft.

Drei wichtige Erkenntnisse

In ihrer Studie stellten die Wissenschaftler zunächst ein molekulares Dimer aus zwei Pentacen-Einheiten her. Dieser Kohlenwasserstoff gilt als aussichtsreicher Kandidat für die Nutzung von Singulett-Spaltung in Solarzellen. Anschließend bestrahlten sie die Flüssigkeit mit Licht und untersuchten mit unterschiedlichen spektroskopischen Methoden die photophysikalischen Prozesse innerhalb des Moleküls.

Die Forscher gewannen dabei drei tiefgehende Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung: Zum einen konnten sie beweisen, dass die Kopplung zu einem energetisch höhergelegenen, ladungspolarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der SF unerlässlich ist. Darüber hinaus verifizierten sie ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie vor Kurzem selbst aufgestellt und publiziert hatten (doi:10.1038/ncomms15171). Und im dritten und letzten Schritt belegten sie die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten.

Mit ihrer Arbeit zeigen die Wissenschaftler die Bedeutung eines wohlüberlegten Designs für SF-Materialien auf. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu SF-basierten photovoltaischen Systemen zur Stromerzeugung. Weitere Grundlagenforschung muss sich jedoch anschließen.
Die Studie ist unter dem Titel „Evidence for Charge-Transfer Mediation in the Primary Events of Singlet Fission in a Weakly Coupled Pentacene Dimer” erschienen in: *Chem (2018), 4, 1092-1111. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.04.006

Weitere Informationen:

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

Prof. Dr. Tim Clark
09131/85-22948
tim.clark@fau.de

Prof. Dr. Thomas Fauster
09131/85-28401
thomas.fauster@physik.uni-erlangen.de