Wie die Licht-Stromwandlung abläuft

Lichtimpulse lassen Elektronen sich wie Wellen verhalten

„Unsere ersten Experimente haben uns sehr überrascht“, sagt Lienau. Die Oldenburger Physikerin Sarah Falke setzte zusammen mit Kooperationspartnern um Prof. Dr. Giulio Cerullo aus Mailand extrem kurze Lichtimpulse im Femtosekundenbereich ein – also mit einer Dauer von wenigen Milliardstel einer Millionstel Sekunde – , um die Polymerschicht in einer organischen Zelle zu beleuchten. Dabei stellten sie fest: Die Lichtimpulse regen nicht nur die Atomkerne zu Schwingungen an, sondern bewirken auch, dass die Elektronen sich wie Wellen verhalten, die zwischen dem Polymer und dem Fulleren hin und her pendeln. Lienau: „Das hatten wir nicht erwartet, denn in organischen Zellen ist die Schnittstelle zwischen Polymeren und Fullerenen äußerst komplex, und beide Komponenten sind nicht durch eine Atombindung verbunden.“

Die Wissenschaftler baten ihre langjährigen Forschungspartner Prof. Dr. Elisa Molinari und Dr. Carlo Andrea Rozzi vom Istituto Nanoscienze des Nationalen Forschungsrat CNR und der Universität von Modena und Reggio Emilia um Unterstützung. Ihnen gelang es, die zeitliche Entwicklung der Elektronen und der Atomkerne zu filmen – also das System abzubilden, das für die experimentell nachgewiesenen Schwingungen verantwortlich ist. „Unsere Berechnungen zeigen, dass die konzertierte Bewegung der Atomkerne ganz wichtig für einen effizienten Ladungstransfer ist“, erläutert Molinari. „Sie müssen wackeln, damit der Strom fließt.“

Eindrucksvolle Einblicke grundlegenden Prozess der organischen PV

Ob die neuen Ergebnisse schnell zu verbesserten Solarzellen führen, mögen die Wissenschaftler noch nicht voraussagen. „Aber die Ergebnisse liefern eindrucksvolle, neue Einblicke in einen der grundlegenden Prozesse der organischen Photovoltaik. Wir konnten zeigen, dass anscheinend auch in organischen Zellen Phänomene auftreten, wie sie die Natur bei der Photosynthese hervorgebracht hat“, sagt Lienau.

Aktuelle Studien legten nahe, dass die Quantenkohärenz für die Photosynthese eine zentrale Rolle spielen dürfte. Die Forschungsergebnisse der deutschen und italienischen Wissenschaftler liefern nun den Nachweis für ähnliche Phänomene bei der Funktion von Photovoltaik-Anlagen: „Ein konzeptioneller Fortschritt, der in das Design künftiger künstlicher Lichtsammelsysteme und Solarzellen einfließen wird“, ist sich Lienau sicher.

Der Artikel in Science: „Coherent ultrafast charge transfer in an organic photovoltaic blend“,
Authors: Sarah Maria Falke, Carlo Andrea Rozzi, Daniele Brida, Margherita Maiuri, Michele Amato, Ephraim Sommer, Antonietta De Sio, Angel Rubio, Giulio Cerullo, Elisa Molinari and Christoph Lienau, Science 344, 1001 (2014), doi: 10.1126/science.1249771
->Quelle(n): presse.uni-oldenburg.de; sciencemag.orguno.uni-oldenburg.de; Video