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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 dieser für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen.

Bild: iStock; Petmal
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Singulett-Spaltung Leistung von Solarzellen steigern

20.06.2018

Der globale Energieverbrauch ist enorm gestiegen und wird sich auch in den kommenden Jahren kontinuierlich weiter erhöhen. Um den Bedarf zu decken und gleichzeitig die Umwelt zu erhalten, wird der Strom aus den erneuerbaren Energien immer wichtiger. Das Potenzial von gegenwärtigen Solarzellen, die auf Silizium basieren, ist inzwischen fast vollständig ausgereizt. Die Singulett-Spaltung könnte hier Abhilfe schaffen.

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Wenn Solarzellen Sonnenenergie in Strom umwandeln, ist der Wirkungsgrad sehr begrenzt. Aktuell liegt er bei 20 bis 25 Prozent. Neue Ansätze sind gefragt, um die Leistung der Solarzellen signifikant zu erhöhen und mehr Strom zu erzeugen. Die Lösung könnte in physikalisch-chemischen Prozessen liegen, die die Effizienz der Solarzellen deutlich verbessern. Mit einem Ansatz dazu befassten sich 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 Singulett-Spaltung (SF), bei der ein Lichtteilchen zwei Elektronen anregt.

Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen

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 dieser für eine signifikante Effizienzsteigerung in organischen Solarzellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, die grundlegenden Vorgänge und den Mechanismus des komplizierten Prozesses genauer 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 wichtige Fragen zur Singulett-Spaltung klären.

Das Prinzip der Singulett-Spaltung

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. 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.

Gewinnung neuer 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 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 Singulett-Spaltung unerlässlich ist. Darüber hinaus verifizierten sie ein Modell für die Singulett-Spaltung, das sie vor Kurzem selbst aufgestellt und publiziert hatten. Und im dritten und letzten Schritt belegten sie die offensichtliche Abhängigkeit der SF-Effizienz von der Stärke der Kopplung zwischen den beiden Pentacen-Untereinheiten. Weitere Grundlagenforschung muss sich jetzt jedoch noch anschließen.

Die Studie ist unter dem Titel „Evidence for Charge-Transfer Mediation in the Primary Events of Singlet Fission in a Weakly Coupled Pentacene Dimer“ in: Chem erschienen.

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