Entstehung eines Elektron-Loch-Paares nachverfolgt Es werde Strom! Der Weg vom Photon zu elektrischer Energie

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Wie wird aus Licht Strom? Die Antwort verbirgt sich in Elektron-Loch-Paaren, tief in der Quantenwelt. Nun hat ein Forscherteam erstmals die Geburt von elektrischer Energie aus Licht gefilmt und theoretisch beschrieben. Die Erkenntnisse können helfen, nachhaltige Energiegewinnung aus Photovoltaik weiter zu verbessern.

Ob in Solarzellen oder bei der Photosynthese: wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, werden seine Teilchen, die Photonen, vom Material absorbiert und regen dadurch Elektronen energetisch an. Dabei ändert sich deren räumliche Verteilung – die Wellenfunktion – und es entsteht eine Bindung zwischen jeweils einem Elektron und dem entstandenen Elektronenloch. Diese „angeregten Paare“ werden als Exzitonen bezeichnet. Sie spielen eine Schlüsselrolle in modernen optoelektronischen Materialien.

Doch obwohl Exzitonen seit Jahrzehnten bekannt sind, blieb ihre innere quantenmechanische Struktur bislang weitgehend verborgen. „Nun ist es uns erstmals gelungen, die räumliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seines Lebens experimentell zu rekonstruieren“, berichtet Peter Puschnig, Professor für Elektronische Struktur von Nanomaterialien am Institut für Physik der Universität Graz. „Die Messungen zeigen, dass das Elektron-Loch-Paar nach seiner Entstehung über etwa drei Moleküle ausgedehnt ist und dann bereits innerhalb der ersten rund 400 Femtosekunden – Billiardstelsekunden – um zirka 25 Prozent schrumpft“, führt der Forscher aus.

Halbleiterphysik

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Ein Video der Quantenwelt

Um diese Entwicklung zu filmen, haben die Wissenschaftler zuerst das Exziton mit Licht angeregt und dann die Elektronen mit einem hochenergetischen Laserpuls aus der Paar-Bindung herausgeschossen. Letzteres wird als Photoemission bezeichnet. „Misst man nun Energie und Richtung der Elektronen, lässt sich mit theoretischen Modellen auf ihren quantenmechanischen Zustand schließen. Durch das Variieren der Zeit zwischen der Anregung und dem folgenden Laserpuls erhält man unterschiedliche Momentaufnahmen des Exzitons, die sich zu einem Video der Quantenwelt zusammenfügen“, erklärt Puschnig. Die Ergebnisse der nun veröffentlichten Studie liefern fundamentale Bausteine für das Verständnis der physikalischen Prozesse, wie sie etwa in organischen Solarzellen stattfinden.

Sensibel geordnete Oberflächen

Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit dreier international führender Forschungsgruppen. Stefan Tautz und sein Team am Forschungszentrum Jülich stellten die organischen Halbleiterproben her, charakterisierten sie und transportierten sie unter Ultrahochvakuumbedingungen zur Universität Marburg, sodass ihre außergewöhnliche Qualität bis zur Messung erhalten blieb.

„Bei den Proben handelt es sich um hauchdünne, geordnete Filme aus dem stäbchenförmigen Molekül 6T, die auf eine speziell präparierte Kupferoberfläche aufgebracht wurden. Die präzise Ausrichtung der Moleküle und ihre gezielte Entkopplung vom Substrat sind wichtig, um das Exziton lange genug zu erhalten und seine Entstehung sichtbar zu machen“, erklärt Monja Stettner, die die Proben im Rahmen ihrer Dissertation hergestellt und die Experimente an der Universität Marburg begleitet hat. Dort führte die Gruppe um Ulrich Höfer die hochpräzisen Photoemissionsexperimente durch und wertete die Messdaten aus.

Quantenmechanische Modelle für Photoemission aus Exzitonen

Am Institut für Physik der Universität Graz erarbeitete das Team von Puschnig die theoretischen Konzepte zur Beschreibung der Photoemission aus Exzitonen, führte die quantenmechanischen Simulationen durch und entwickelte ein analytisches Modell, das die Interpretation der experimentellen Daten ermöglichte

Auch die den Forschungen zugrunde liegende experimentelle Methode der Photoemission Orbital Tomography (POT) ist in der Arbeitsgruppe von Puschnig entwickelt worden. Der Physiker baute sie in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit dem Jülicher Team um Tautz zu einem international etablierten Werkzeug für die Untersuchung elektronischer Zustände in organischen Materialien aus.

EU-Projekt „Orbital Cinema“

Die aktuelle Publikation setzt einen der bisher wichtigsten Meilensteine im EU-Projekt „Orbital Cinema“. Ziel des Projekts ist es, die Dynamik von Elektronen in Materialien mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen. „Im nächsten Schritt wollen wir die Trennung von Elektron und Loch in so genannten Donor-Akzeptor-Systemen beobachten. Dieser Prozess entscheidet darüber, wie effizient Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden kann und steht damit im Zentrum zukünftiger Entwicklungen organischer Photovoltaik“, sagt Puschnig.

Originalpublikation: Marcel Theilen, Siegfried Kaidisch, Monja Stettner, Sarah Zajusch, Eric Fackelman, Alexa Adamkiewicz, Robert Wallauer, Andreas Windischbacher, Christian S. Kern, Michael G. Ramsey, François C. Bocquet, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz, Ulrich Höfer, and Peter Puschnig: Observing the spatial and temporal evolution of exciton wave functions in organic semiconductors, Physical Review X, 28 August 2026; DOI: 10.1103/3zmg-276c