Den Strom aus Solarzellen verdoppeln

Die Singulett-Spaltung in Pentacen-Dimeren könnte deutlich mehr Energie aus Solarmodulen herausholen (Bild: energyviews.de, Wiley-VCH / Fh.-ISE)

In Zeiten von Klimawandel und Energiewende ist es wichtig, die Effizienz von organischen Solarzellen signifikant zu erhöhen. Während einer Singulett-Spaltung (engl. singlet fission, SF) regt ein Lichtteilchen gleich zwei Elektronen an – möglicherweise die Basis, um den Strom aus Solarzellen drastisch zu steigern. Physikern und Chemikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ist es nun in einer internationalen Kooperation mit der Northwestern University in den USA gelungen, alle entscheidenden Zwischenschritte der Singulett-Spaltung zu erarbeiten und erstmals den exakten Mechanismus gänzlich zu beschreiben.

Wird ein Molekül durch Licht in ein höheres Energieniveau angeregt, so kann diese Energie in organischen Solarzellen genutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen. Denn wenn ein Lichtteilchen auf ein Molekül trifft und dort absorbiert wird, ist es möglich, dass durch die überschüssige Energie eines Moleküls ein zweites Molekül in direkter Nachbarschaft elektronisch angeregt wird. Im Anschluss befindet sich dann in beiden Molekülen je ein Elektron in einem Zustand höherer Energie. Dieser Prozess, die Singulett-Spaltung, kann im günstigsten Fall zu einer fünfzigprozentigen Steigerung der Leistung von Solarzellen führen. Die Energie bleibt allerdings nicht endlos im Molekül erhalten und dieses gelangt wieder in den Ausgangszustand zurück. Das Prinzip der SF ist bereits seit 50 Jahren bekannt, sein exakter Mechanismus wird aber bis heute nicht gänzlich verstanden. Deshalb haben die Erlanger Forscher nun alle Zwischenschritte auf dem Weg vom angeregten zum ursprünglichen Zustand genauer untersucht.

Die FAU-Wissenschaftler um Dirk Guldi vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I haben gemeinsam mit internationalen Forschern hauptsächlich zwei verschiedene Methoden angewandt, um die Einzelschritte zu identifizieren. Da alle Prozesse, die innerhalb eines Moleküls nach der Anregung stattfinden, auf sehr schnellen Zeitskalen ablaufen, bedarf es dabei spektroskopischer Methoden, die zeitaufgelöst einen Einblick in die Einzelschritte nach der Anregung geben. Zunächst untersuchen die Forscher spektroskopisch, wie sich die Absorptionseigenschaften des Moleküls während der Deaktivierung verändern.

Bestimmte Zwischenstufen, die Intermediate, zeigen dabei Fingerabdrücke, die eindeutig zugeordnet werden können. Einige der Intermediate haben allerdings identische Absorptionseigenschaften, weshalb eine zweite Methode, die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie, nötig ist. Denn manche Zwischenstufen unterscheiden sich im sogenannten Spin der angeregten Elektronen. Durch die Verknüpfung der beiden Methoden ist es den FAU-Forschern gelungen, erstmals alle Intermediate zu entschlüsseln und ein vereinheitlichtes Modell der SF zu erarbeiten. Die Forscher erhoffen sich durch die Ergebnisse ihrer Arbeit ein noch zielorientierteres Moleküldesign, das langfristig eine SF-basierte Solarzelle ermöglicht. (Quelle: FAU)

Referenz: B. S. Basel et al.: Unified model for singlet fission within a non-conjugated covalent pentacene dimer, Nat. Comm. 8, 15171 (2017); DOI: 10.1038/ncomms15171

Link: Guldi Group Research (Lehrstuhl für Physikalische Chemie I), Dept. Chem. Pharm., Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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