Die bahnbrechenden Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht und könnten die Weiterentwicklung effizienter organischer Photovoltaik-Technologien erheblich vorantreiben.
Die Herausforderung der Ladungstrennung
Trotz bemerkenswerter Fortschritte bei organischen Solarzellen blieb die genaue Dynamik der Ladungsgenerierung und -trennung bisher ungeklärt. Mit Hilfe von Transienten-Absorptionsspektroskopie und umfangreichen Simulationen basierend auf zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie ist es dem Team erstmals gelungen, CTCs und getrennte Ladungen spektral zu unterscheiden und somit ihre dynamische Entwicklung nachzuvollziehen. Diese erstmalige direkte Visualisierung eröffnet neue Wege für die Optimierung von organischen Solarzellen.
„Diese Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt dar, da wir die Mechanismen der Ladungstrennung in organischen Solarzellen nun besser verstehen können,“ erklärt Prof. Banerji. „Dies könnte der Schlüssel sein, um nachhaltigere und leistungsstärkere Solarzellen zu entwickeln.“
Neue Einsichten in die Funktionsweise
Die Studie zeigt, dass getrennte Ladungen auf zwei Wegen entstehen: direkt innerhalb weniger Pikosekunden aus Exzitonen oder langsamer (ca. 30 Pikosekunden) durch reversible Spaltung von CTCs. Diese Entdeckung löst eine langjährige Kontroverse in der Forschung und zeigt, dass beide Mechanismen gleichzeitig zur Photostromerzeugung beitragen können.
Kommerzielle und wissenschaftliche Relevanz
Die Ergebnisse sind besonders relevant für thermisch verdampfte organische Solarzellen, eine führende Technologie. Zudem bietet die Studie Ansätze zur Optimierung moderner Materialien wie Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA), die hohe Wirkungsgrade von über 18 % ermöglichen. „Unsere Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Verbesserung der Effizienz organischer Solarzellen und deren Anwendungspotenzial,“ sagt Prof. Ortmann, Koautor der Studie.
Ein internationales Teamwork
Die Forschung vereinte Expertise aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften mit Beiträgen von Institutionen wie der Universität Bern (Schweiz), der Technischen Universität Dresden, der Universität Oxford (UK) und der Universidade de São Paulo (Brasilien). Gefördert wurde die Arbeit durch nationale und internationale Forschungsprogramme, darunter die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Cluster of Excellence e-conversion).
Publikation in Nature Communications: “Direct visualization of the charge transfer state dynamics in dilute-donor organic photovoltaic blends” (DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53694-4)
Weitere Informationen und Links:
- Prof. Frank Ortmann (Professur für Theoretical Methods in Spectroscopy)
- Prof. Natalie Banerji Universität Bern(FemtoMat Research Group)
- Exzellenzcluster e-conversion
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