Forscher sehen Elektronen „springen“ – Effekt könnte Solarzellen deutlich verbessern

Viele Hausbesitzer erzeugen heute Strom auf dem eigenen Dach. Unternehmen bauen riesige Solarparks. Dennoch verlieren selbst moderne Solarmodule einen Teil der Energie – und zwar in einem winzigen Augenblick direkt nach dem Auftreffen des Sonnenlichts. In dieser Phase müssen sich elektrische Ladungen sofort trennen. Gelingt das nicht schnell genug, geht Energie verloren.

Forscher der University of Cambridge haben nun einen Mechanismus entdeckt, der diesen Prozess deutlich beschleunigen könnte. Ihre Ergebnisse zeigen: Elektronen können sich in bestimmten Materialien viel schneller bewegen als bisher angenommen. Das könnte langfristig zu effizienteren Solarzellen führen.

Elektronen bewegen sich im Takt der Atome

Im Experiment wechselte ein Elektron in nur 18 Femtosekunden von einem Molekül zum nächsten. Das entspricht 18 Billiardstel Sekunden. Diese Zeitspanne ist so kurz, dass sie kaum vorstellbar ist.

Zum Vergleich: In einer einzigen Sekunde vergehen etwa achtmal mehr Femtosekunden, als Stunden seit Beginn des Universums vergangen sind. Auf dieser extrem kurzen Zeitskala schwingen Atome in Molekülen ständig.

Die Forscher beobachteten, dass sich Elektronen fast im gleichen Rhythmus bewegen wie diese atomaren Schwingungen. „Wir beobachten Elektronen im selben Takt wie die Atome selbst“, beschreibt Studienautor Dr. Pratyush Ghosh vom St John’s College in Cambridge den Effekt.

Forscher bauten bewusst ein „schlechtes“ Materialsystem

Nach bisherigen Lehrbüchern der Solarphysik braucht schneller Ladungstransfer deutliche Energieunterschiede zwischen zwei Materialien. Diese Unterschiede beschleunigen den Elektronentransfer, können aber gleichzeitig den Wirkungsgrad senken.

Das Cambridge-Team entschied sich deshalb für ein System, das nach diesen Regeln eigentlich langsam hätte sein müssen. Der Energieunterschied zwischen den Materialien lag unter 100 Millielektronenvolt, zudem war die elektronische Kopplung bewusst schwach.

„Nach den üblichen Designregeln hätte dieses System langsam sein müssen – genau das macht das Ergebnis so überraschend“, sagt Ghosh.

Doch das Gegenteil trat ein. Das Elektron überquerte die Grenzfläche in nur 18 Femtosekunden. In vielen organischen Materialien dauert dieser Prozess normalerweise 100 bis 250 Femtosekunden.

Molekülschwingungen treiben Elektronen aktiv an

Ultraschnelle Laserexperimente zeigten den Grund für diesen Effekt. Sobald das Polymer Licht absorbiert, beginnen bestimmte Teile des Moleküls in hochfrequenten Mustern zu schwingen.

Diese Schwingungen treiben den Elektronentransfer aktiv an. Das Elektron bewegt sich nicht zufällig durch das Material, sondern gerichtet und sehr schnell.

Ghosh beschreibt den Mechanismus so: „Die Schwingung wirkt wie ein molekulares Katapult. Sie begleitet den Prozess nicht nur, sie treibt ihn an.“

Sobald das Elektron das zweite Molekül erreicht, löst es dort eine neue, koordinierte Schwingung aus. Solche Signale gelten in der Forschung als deutlicher Hinweis auf extrem schnellen Ladungstransfer.

Warum dieser Prozess für Solarzellen so wichtig ist

Trifft Licht auf ein organisches Solarmaterial, entsteht zunächst ein gebundenes Teilchenpaar: ein Elektron und ein sogenanntes Loch. Physiker nennen dieses Paar Exziton.

Damit Strom entstehen kann, müssen sich beide Ladungen schnell voneinander trennen. Je schneller das gelingt, desto weniger Energie geht verloren.

Bisher galt eine einfache Regel: Schneller Ladungstransfer erfordert große Energieunterschiede zwischen den Materialien – und damit auch höhere Verluste.

Die neue Studie stellt diese Annahme infrage. Die Forscher schreiben, dass ultraschneller Ladungstransfer auch ohne große Energieunterschiede möglich ist. Entscheidend sei, wie stark und in welchem Muster Moleküle schwingen.

Neue Designregeln für effizientere Solarzellen

Die Ergebnisse geben Impulse bei der Entwicklung besserer Solarmaterialien. Statt große Energieunterschiede zu erzwingen, könnten Entwickler gezielt Molekülschwingungen nutzen.

Professor Akshay Rao vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge erklärt: „Anstatt molekulare Bewegung zu unterdrücken, können wir Materialien so entwerfen, dass sie sie nutzen – wir machen Schwingungen vom Hindernis zum Werkzeug.“

Das Prinzip ist nicht nur für Solarzellen relevant. Ähnliche Prozesse spielen auch bei Photodetektoren, bei der Herstellung von Wasserstoff mit Sonnenlicht und sogar in der natürlichen Photosynthese eine Rolle.

Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung hängt also nicht allein von statischen Energieunterschieden ab. Entscheidend ist auch, wie Moleküle schwingen und wie sie räumlich angeordnet sind.

Kurz zusammengefasst:

• Elektronen können sich in bestimmten organischen Solarmaterialien in nur 18 Femtosekunden trennen – obwohl der Energieunterschied unter 100 Millielektronenvolt liegt und die Kopplung schwach ist.
• Hochfrequente Molekülschwingungen mit Perioden von etwa 22 bis 26 Femtosekunden treiben diesen Ladungstransfer aktiv und gerichtet an, statt ihn dem Zufall zu überlassen.
• Weil dieser ultraschnelle Prozess ohne große Energieverluste funktioniert, eröffnen sich neue physikalische Möglichkeiten für effizientere Solarzellen.

Übrigens: Während Forscher Molekülschwingungen nutzen, um Solarzellen effizienter zu machen, arbeiten andere Teams daran, Sonnenenergie chemisch zu speichern und erst Tage später in Wasserstoff umzuwandeln. Ein neues Polymer trennt Lichtaufnahme und H₂-Produktion zeitlich und könnte so Industrieprozesse unabhängiger von Wetter und Stromschwankungen machen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels