Mehr Energie aus der Sonne – Neue Ergebnisse zur Rolle von Spins in Energie-Materialien zeigen Wege zu Wirkungsgrad-Steigerungen auf

HZB und FU Berlin betreiben gemeinsam das Berlin Joint EPR Lab, um die Rolle von Spin-Zuständen in Energie-Materialien zu analysieren. Ein internationales Team aus Berlin und Cambridge hat nun in organischen Halbleitern untersucht, wie durch Lichtabsorption erzeugte so genannte Singulett-Anregungszustände sich aufspalten. Sie konnten komplexe Anregungszustände beobachten, die deutlich länger als erwartet stabil blieben. Ihre Ergebnisse eröffnen neue Wege, um die Singulett-Aufspaltung gezielt zu nutzen, nicht nur für die Optimierung von Solarzellen, sondern auch in spintronischen Bauelementen. Die Arbeit ist nun im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht worden.

Licht kann in bestimmten Halbleitermaterialien Atome oder Moleküle anregen und damit elektrische Ströme erzeugen. Nach diesem Prinzip funktionieren Solarzellen. In vielen Materialien erzeugt ein Lichtteilchen (Photon) einen Anregungszustand, ein so genanntes Singulett-Exziton. In manchen Materialien kann dieses spontan in zwei neue Exzitonen aufspalten, die jeweils einen anderen Spin besitzen (Triplett-Zustand). Diese angeregten Triplett-Exzitonen wandern durch das Material und erzeugen im Idealfall wieder jeweils ein bewegliches Elektron und somit idealerweise doppelt so viel elektrischen Strom wie ohne Singulett-Aufspaltung. Daher ist es hochinteressant Materialien in Solarzellen zu integrieren, in denen Singulett-Aufspaltung auftritt.

Die technische Umsetzung des Konzepts ist jedoch schwierig, denn die Triplett-Exzitonen-Paare zeichnen sich häufig durch extrem kurze Lebensdauern aus, die auch vom Spin-Zustand abhängen. Es ist daher aufschlussreich, die Spin-Zustände von der Erzeugung des Triplett-Paars bis zum Zerfall experimentell zu beobachten.

Spin-Zustände in organischen Halbleitern gemessen

Nun hat ein Team um Prof. Dr. Jan Behrends, Juniorprofessor an der Freien Universität Berlin (FU Berlin) und dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge den Spin-Zustand in einem organischen Halbleiter im Zeitverlauf gemessen. Die Experimente fanden am Berliner Joint EPR Lab statt, welches HZB und FU Berlin gemeinsam betreiben. Dort ist es möglich, die Methode der Elektronen-Paramagnetischen-Resonanz-Spektroskopie mit anderen Messverfahren zu kombinieren.  

Jan Behrends und sein Team beobachteten in ihren Experimenten sowohl schwach als auch stark gekoppelte Spin-Zustände, was auf eine Koexistenz von unterschiedlichen Paaren hinweist. Außerdem konnten sie stark gekoppelte Zustände noch einige Mikrosekunden nach deren Erzeugung messen. Bisher waren sie davon ausgegangen, dass die Lebensdauer dieser Zustände viel kürzer ist.

Um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, kommt es nun darauf an, die stark gekoppelten Spin-Zustände aufzuspalten. Auch über die Photovoltaik hinaus eröffnet diese Arbeit neue Möglichkeiten. So können die Erkenntnisse hilfreich sein, um schnelle und energieeffiziente elektronische Bauelemente zu entwickeln, die solche Spin-Eigenschaften ausnutzen (Spintronik).

Text: arö

Zur Publikation in Nature Physics (2016) doi:10.1038/nphys3908: Strongly exchange-coupled triplet pairs in an organic semiconductor, Leah R. Weiss, Sam L. Bayliss, Felix Kraffert, Karl J. Thorley, John E. Anthony, Robert Bittl, Richard H. Friend, Akshay Rao, Neil C. Greenham & Jan Behrends

Die Arbeit wurde durch einen "News and Views"-Artikel in derselben Ausgabe von Nature Physics hervorgehoben.