Organische Solarzellen Mit ultraschnellen Laserpulsen Elektronen messen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Prozesse in einem Modellsystem für organische Solarzellen untersuchen Forscher mit ultraschnellen Lichtblitzen. Mit den Analysen und gewonnenen Messdaten legen die Forscher Grundlagen für die Solarindustrie.

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Ein ITO-freies, organisches Solarzellenmodul des Fraunhofer ISE. Forscher untersuchen an einem Modellsystem für organische Solarzellen physikalische Prozesse.
Ein ITO-freies, organisches Solarzellenmodul des Fraunhofer ISE. Forscher untersuchen an einem Modellsystem für organische Solarzellen physikalische Prozesse.
(Bild: Fraunhofer ISE)

Damit die Entwicklung von hochleistungsfähigen und effizienten Solarzellen weitergehen kann, analysieren Forscher mit einem neuen Verfahren erstmals die Prozesse in einem Modellsystem für organische Solarzellen innerhalb von Femtosekunden bis ins Detail.

Der Schlüssel sind ultraschnelle Lichtblitze, mit denen das Team um Dr. Friedrich Roth am FLASH in Hamburg, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich, arbeitet. „Die besonderen Eigenschaften dieser Röntgenquelle haben wir uns zunutze gemacht und mittels der zeitaufgelösten Röntgen-Photoemissionsspektroskopie (TR-XPS) erweitert. Diese Methode basiert auf dem äußeren Photoeffekt, für dessen Erklärung Albert Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

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“, erklärt Dr. Roth vom Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg.

Fingerabdruck eines Moleküls

Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren konnten die Forscher einen vorher nicht beobachteten Kanal zur Ladungstrennung identifizieren. „Mit unserer Messmethodik können wir eine zeitlich aufgelöste, atomspezifische Analyse durchführen. Damit erhalten wir einen Fingerabdruck, der dem zugehörigen Molekül zugeordnet werden kann. So sehen wir, wann die durch den optischen Laser angeregten, Elektronen am Akzeptor-Molekül ankommen, wie lang sie dableiben und wann beziehungsweise wie sie wieder verschwinden“, erläutert Prof. Serguei Molodtsov das Messverfahren.

Er leitet die Arbeitsgruppe „Strukturforschung mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern (XFELs) und Synchrotronstrahlung“ am Freiberger Institut für Experimentelle Physik und ist ein wissenschaftlicher Direktor am European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL).

Die Schwachstellen analysieren

Strahlführungen in der FLASH I-Experimentierhalle „Albert Einstein“. Mit den ultraschnellen Laserpulsen untersuchen Forscher organische Solarzellen.
Strahlführungen in der FLASH I-Experimentierhalle „Albert Einstein“. Mit den ultraschnellen Laserpulsen untersuchen Forscher organische Solarzellen.
(Bild: DESY / Heiner Müller-Elsner)

Die Echtzeit-Analyse und die Messung interner Parameter sind wichtige Grundlagenforschung, die sich vor allem die Solarindustrie zunutze 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“, ergänzt Dr. Roth.

Mit den Erkenntnissen der Freiberger Forscher lassen sich beispielsweise Optimierungsmöglichkeiten auf molekularer Ebene oder bei der Materialwissenschaft ableiten und die Quanteneffizienz neu entstehender photovoltaischer und photokatalytischer Systeme optimieren. Die Quanteneffizienz beschreibt das Verhältnis des eingestrahlten Lichtes zum Photonenstrom (Strom der generiert wird).

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