Photoaktives Material Wie aus Lichtenergie speicherbare elektrische Energie wird

Wie lässt sich Licht in speicherbare Energie umwandeln? Eine Rolle spielt das Polaron, ein spezielles Pseudoteilchen, das durch photoaktives Material wandert und in elektrische Energie umgewandelt wird.

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Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts Berlin und der Aalto University in Helsinki die Bildung von Polaronen in Zinkoxid untersucht. Diese Pseudoteilchen wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden.

Dieser Prozess ist in der Natur beispielsweise aus der Photosynthese bekannt. In der Forschung gewinnt die Photokatalyse, die Licht nutzt, um chemische Prozesse zu beschleunigen, immer mehr an Bedeutung. Auch bei der Photovoltaik, die einfallendes Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt, haben Forscher in den vergangenen Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Der Wirkungsgrad hat sich stetig verbessert.

Allerdings sind die der Photovoltaik zugrunde liegenden Prozesse bis jetzt nur in groben Zügen erforscht. „Die Umwandlung der Photonen, das heißt Lichtteilchen, in elektrische Energie geschieht über mehrere Schritte“, erklärt Professor Christof Wöll, Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT. Zunächst wird in einem photoaktiven Material Licht absorbiert. Einzelne Elektronen werden von ihrem Platz gelöst und lassen an diesem ein Loch zurück. Die Elektronen-Loch-Paare sind nur für kurze Zeit stabil. Danach zerfallen sie entweder unter Lichtabstrahlung oder werden in ein Elektron und ein Loch aufgespalten, die sich dann unabhängig voneinander im Material bewegen. Was mit diesen geladenen Teilchen weiter geschieht, hängt vom Material ab.

Bisher unbekanntes Pseudoteilchen

In den meisten Materialien sind freie Löcher nicht stabil, sondern werden unter Energieverlust in sogenannte Polaronen umgewandelt. Ein Polaron ist ein spezielles Pseudoteilchen, das sich aus einem Teilchen und dessen Wechselwirkung mit seiner Umgebung zusammensetzt. Die gebildeten Polaronen sind für längere Zeit stabil und wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden.

Forscher des KIT um Professor Christof Wöll haben Experimente an dem photoaktiven Material Zinkoxid durchgeführt, um Bildung und Bewegung der Polaronen zu untersuchen. Dabei setzten sie eine am KIT entwickelte, weltweit einzigartige Apparatur zur Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS) mit einer zeitlichen Auflösung von 100 Millisekunden ein.

Sie maßen Infrarotspektren an Zinkoxid-Einkristallen und beobachteten intensive Absorptionsbanden, sozusagen Fingerabdrücke, eines bislang unbekannten Pseudoteilchens. Die Interpretation der Daten und die Identifikation dieses neuen Teilchens stellte die Karlsruher Forscher zunächst vor große Herausforderungen. Erst in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe, die am Fritz-Haber-Institut und im Exzellenzzentrum für Rechnergestützte Nanophysik (COMP) der Aalto University tätig ist, gelang es, die Absorptionsbanden eindeutig sogenannten Loch-Polaronen zuzuordnen.

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