In konventionellen Solarzellen wird pro Photon ein Elektron als Träger des Stroms generiert. Benutzt man dagegen Dimere, können gleich zwei Elektronen auf benachbarten Molekülen in einen Zustand höherer Energie versetzt werden.

Noch effizientere Solarzellen: Wissenschafter gewinnen drei neue Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung

(ee-news.ch) Forscher publizieren drei neue Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung: Sie konnten beweisen, dass die Kopplung zu einem energetisch höhergelegenen, ladungspolarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der SF unerlässlich ist. Sie verifizierten ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie selbst aufgestellt und publiziert hatten. Und sie belegten die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten.

Indem die sogenannte Singulett-Spaltung besser erforscht wird, hofft ein Team von internationalen Forschern, die Leistung von Solarzellen deutlich zu erhöhen, das sind Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center der Northwestern University im US-amerikanischen Evanston.

Bereits vor 50 Jahren entdeckt
Das Prinzip der Singulett-Spaltung wurde bereits vor rund 50 Jahren entdeckt, doch erst vor knapp zehn Jahren erkannten Wissenschaftler aus den USA das Potenzial der SF für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses genauer zu verstehen.

Drei wichtige Erkenntnisse
In ihrer Studie stellten die Wissenschaftler zunächst ein molekulares Dimer aus zwei Pentacen-Einheiten her. 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.

Die Forscher gewannen dabei drei tiefgehende Erkenntnisse über den Mechanismus der intramolekularen Singulett-Spaltung: Zum einen konnten sie beweisen, dass die Kopplung zu einem energetisch höhergelegenen, ladungspolarisierten Zustand für eine hohe Effizienz der SF unerlässlich ist. Darüber hinaus verifizierten sie ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie vor Kurzem selbst aufgestellt und publiziert hatten (doi:10.1038/ncomms15171). Und im dritten und letzten Schritt belegten sie die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten.

Mit ihrer Arbeit zeigen die Wissenschaftler die Bedeutung eines wohlüberlegten Designs für SF-Materialien auf. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu SF-basierten photovoltaischen Systemen zur Stromerzeugung. Weitere Grundlagenforschung muss sich jedoch anschliessen.

Aus eins mach zwei
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 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 SF 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.

Die Studie ist unter dem Titel „Evidence for Charge-Transfer Mediation in the Primary Events of Singlet Fission in a Weakly Coupled Pentacene Dimer” erschienen in: *Chem (2018), 4, 1092-1111. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.04.006

Text: ee-news.ch, Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

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