Meilenstein auf dem Weg zur effizienten Solarzelle

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Deutsche und US-Wissenschaftler 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 Evanston (USA). 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.

Darin publizieren die Forscher neue Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung:

  • Sie belegen, dass die Kopplung zu einem energetisch höhergelegenen, ladungspolarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der Singulett-Spaltung – im Englischen Singlet Fission (SF) – unerlässlich ist.
  • Sie zeigen weiter die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten.
  • Sie verifizieren ein kürzlich selbst aufgestelltes und publiziertes SF-Modell (doi:10.1038/ncomms15171).

Mehr Strom aus Solarzellen gewinnen

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist nach wie vor sehr begrenzt – lediglich  20 bis 25 Prozent. Neue Ansätze sind gefragt, um die Leistung zu erhöhen: Neue vielversprechende physikalisch-chemische Prozesse könnten die Effizienz deutlich verbessern – daran arbeiten 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 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 US-Wissenschaftler ihr Potenzial für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses besser 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 (Molekülverbund aus zwei oft identischen Untereinheiten, sogenannten Monomeren) 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 Singulett-Spaltung 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.

Für ihre Studie erzeugten die Wissenschaftler zunächst ein molekulares Dimer aus zwei Pentacen-Einheiten; 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.

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