Grazer Physiker filmen Umwandlung von Licht in Strom
Pia Prodinger
Forschenden der Universität Graz ist gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Deutschland ein wissenschaftlicher Durchbruch gelungen. Sie konnten erstmals die Entstehung elektrischer Energie aus Licht filmen und theoretisch beschreiben.
Forschenden der Universität Graz ist gemeinsam mit der Universität Marburg und dem Forschungszentrum Jülich ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch gelungen. Erstmals konnte die Entstehung elektrischer Energie aus Licht sowohl experimentell sichtbar gemacht als auch theoretisch beschrieben werden. Die Erkenntnisse sind unter anderem für die Weiterentwicklung nachhaltiger Energiegewinnung mittels Photovoltaik von großer Bedeutung. Zudem liefern sie grundlegende Einblicke in physikalische Prozesse, wie sie beispielsweise in organischen Solarzellen ablaufen. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review X, die zu den weltweit angesehensten Physikjournalen zählt.
Exzitonen erstmals direkt untersucht
Trifft Licht auf eine Oberfläche, etwa in einer Solarzelle oder bei der Photosynthese, werden die darin enthaltenen Photonen vom Material aufgenommen und versetzen Elektronen in einen angeregten Zustand. Dabei verändert sich ihre räumliche Verteilung, die sogenannte Wellenfunktion. Gleichzeitig entsteht eine Bindung zwischen einem Elektron und dem dazugehörigen Elektronenloch. Diese angeregten Zustände werden als Exzitonen bezeichnet und spielen eine zentrale Rolle in modernen optoelektronischen Materialien.
Obwohl Exzitonen seit vielen Jahrzehnten erforscht werden, blieb ihre innere quantenmechanische Struktur bislang weitgehend verborgen. „Nun ist es uns erstmals gelungen, die räumliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seines Lebens experimentell zu rekonstruieren“, erklärt Peter Puschnig, Professor für Elektronische Struktur von Nanomaterialien am Institut für Physik der Universität Graz.
Die Messungen zeigen, dass sich das Elektron-Loch-Paar unmittelbar nach seiner Entstehung über etwa drei Moleküle erstreckt. Innerhalb der ersten rund 400 Femtosekunden, also Billionstel Sekunden, verkleinert sich seine Ausdehnung bereits um etwa 25 Prozent.
Laserpulse ermöglichen Einblicke in die Quantenwelt
Um diesen Vorgang sichtbar zu machen, regten die Forschenden zunächst das Exziton mit Licht an. Anschließend wurden die Elektronen mithilfe eines hochenergetischen Laserpulses aus der Bindung gelöst. Dieser Prozess wird als Photoemission bezeichnet. Durch die Messung von Energie und Bewegungsrichtung der Elektronen können mithilfe theoretischer Modelle Rückschlüsse auf deren quantenmechanischen Zustand gezogen werden.
Wird der zeitliche Abstand zwischen Anregung und Laserpuls verändert, entstehen unterschiedliche Momentaufnahmen des Exzitons. Zusammengesetzt ergeben diese Bilder ein Video der Vorgänge in der Quantenwelt, erläutert Puschnig.
Internationale Zusammenarbeit dreier Forschungsgruppen
Das Forschungsprojekt entstand in enger Kooperation von drei international führenden Arbeitsgruppen. Das Team um Stefan Tautz am Forschungszentrum Jülich stellte die organischen Halbleiterproben her, charakterisierte sie und transportierte sie unter Ultrahochvakuumbedingungen nach Marburg. Dadurch blieb ihre außergewöhnliche Qualität bis zum Zeitpunkt der Messungen erhalten.
Bei den Proben handelt es sich um hauchdünne, geordnete Filme aus dem stäbchenförmigen Molekül 6T, die auf einer speziell vorbereiteten Kupferoberfläche angebracht wurden. Die exakte Ausrichtung der Moleküle und ihre gezielte Entkopplung vom Untergrund waren entscheidend, um das Exziton ausreichend lange stabil zu halten und seine Entstehung sichtbar zu machen, erklärt Monja Stettner. Sie fertigte die Proben im Rahmen ihrer Dissertation an und begleitete die Experimente an der Universität Marburg.
Die hochpräzisen Photoemissionsmessungen wurden schließlich von der Forschungsgruppe um Ulrich Höfer in Marburg durchgeführt und ausgewertet.
Grazer Forschende lieferten die theoretische Grundlage
Das Team von Peter Puschnig am Institut für Physik der Universität Graz entwickelte die theoretischen Konzepte zur Beschreibung der Photoemission aus Exzitonen. Darüber hinaus führten die Forschenden quantenmechanische Simulationen durch und erarbeiteten ein analytisches Modell, das die Interpretation der Messdaten ermöglichte.
„Mit unserem Modell lässt sich aus gemessenen Photoelektronenbildern direkt auf die räumliche Form und die innere quantenmechanische Phase der Exziton-Wellenfunktion schließen“, erklärt Siegfried Kaidisch, der im Rahmen seiner Dissertation maßgeblich an der Studie beteiligt war.
Auch die experimentelle Methode der Photoemission Orbital Tomographie (POT), auf der die Untersuchungen basieren, wurde in der Arbeitsgruppe von Peter Puschnig entwickelt. Gemeinsam mit dem Team von Stefan Tautz wurde sie in den vergangenen Jahren zu einem international etablierten Instrument für die Erforschung elektronischer Zustände in organischen Materialien weiterentwickelt.
Wichtiger Schritt im Projekt „Orbital Cinema“
Die aktuelle Veröffentlichung gilt als einer der bislang bedeutendsten Meilensteine des EU-Forschungsprojekts „Orbital Cinema“. Das durch einen ERC Synergy Grant geförderte Vorhaben verfolgt das Ziel, die Dynamik von Elektronen in Materialien mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Präzision sichtbar zu machen.
„Im nächsten Schritt wollen wir die Trennung von Elektron und Loch in sogenannten Donor-Akzeptor-Systemen beobachten. Dieser Prozess entscheidet darüber, wie effizient Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden kann und steht damit im Zentrum zukünftiger Entwicklungen organischer Photovoltaik“, sagt Puschnig.
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