Effizient durch Elektronen-Wellen: Die komplexen Vorgänge im Inneren einer organischen Solarzelle hat ein internationales Forscherteam nun erstmals in Echtzeit gefilmt. Im Fachmagazin „Science“ beschreiben die Physiker im Detail, wie das Sonnenlicht den Transfer von Elektronen und damit den elektrischen Strom antreibt. Entscheidend für den Prozess sind demnach durch das Licht zum Schwingen angeregten Atome, erst sie ermöglichen die Bewegung der Elektronen.
Organische Solarzellen sind ein Hoffnungsträger für erneuerbare Energien: Mit hoher Effizienz verwandeln sie Licht in elektrischen Strom und sind dabei preiswert, leicht, flexibel und lassen sich farblich beliebig anpassen. Zum Einsatz kommen dabei Nanomaterialien: Lange Ketten aus Kohlenstoffatomen absorbieren das Licht, im Zusammenspiel mit fußball-artigen Fullerenen entsteht elektrischer Strom. Für eine direkte Beobachtung waren die genauen Vorgänge allerdings bislang viel zu komplex. Bisherige Experimente deuteten lediglich darauf hin, dass Elektronen von den Polymeren auf die Fullerene überspringen und so der Strom fließt.
Überraschende Elektronen-Wellen
Um diese Elektronen-Bewegungen genauer zu untersuchen, beleuchtete die Physikerin Sarah Falke von der Universität Oldenburg zusammen mit Kooperationspartnern aus Mailand die Polymerschicht einer organischen Solarzelle mit extrem kurzen Lichtpulsen von nur wenigen Femtosekunden. Eine Femtosekunde entspricht einem Milliardstel einer Millionstelsekunde.
Das Experiment sorgte für eine Überraschung: Die Lichtimpulse regen nicht nur wie erwartet die Atomkerne zu Schwingungen an. Sie bewirken auch, dass die Elektronen sich wie Wellen verhalten, die zwischen dem Polymer und dem Fulleren hin und her pendeln. „Das hatten wir nicht erwartet“, erläutert der Oldenburger Physiker Christoph Lienau, „denn in organischen Zellen ist die Schnittstelle zwischen Polymeren und Fullerenen äußerst komplex, und beide Komponenten sind nicht durch eine Atombindung verbunden.“
Quantenmechanischer Ladungstransfer wie in der Natur
Zusammen mit Kollegen um Elisa Molinari vom Institut für Nanowissenschaften im italienischen Modena konnten die Physiker diese Abläufe sogar sichtbar machen: Es gelang ihnen, die zeitliche Entwicklung der Elektronen und Atomkerne zu filmen. Die im Experiment nachgewiesenen Schwingungen lassen sich so direkt abbilden. Dabei erkannten die Forscher, dass die Elektronen quantenmechanisch an die Atomkerne gekoppelt sind. Die durch das Licht zum Schwingen angeregten Atome ermöglichen erst die Wellenbewegung der Elektronen: „Unsere Berechnungen zeigen, dass die konzertierte Bewegung der Atomkerne ganz wichtig für einen effizienten Ladungstransfer ist“, erläutert Molinari. „Sie müssen wackeln, damit der Strom fließt.“
Diese Forschungsergebnisse liefern nicht nur neue Einblicke in die Funktionsweise organischer Solarzellen: Sie zeigen auch Parallelen zu den Mechanismen der Photosynthese in der Natur. Der Zusammenhang zwischen Atomen und Elektronen, die sogenannte Quantenkohärenz, spielt aktuellen Studien zufolge auch dort eine wichtige Rolle. „Wir konnten zeigen, dass anscheinend auch in organischen Zellen Phänomene auftreten, wie sie die Natur bei der Photosynthese hervorgebracht hat“, so Lienau. „Ein konzeptioneller Fortschritt, der in das Design künftiger künstlicher Lichtsammelsysteme und Solarzellen einfließen wird.“
(Science, 2014; doi: 10.1126/science.1249771)
(Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, 02.06.2014 – AKR)
