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News: Schneller Elektronensprung

In welcher Zeit sich Elektronen in Materialien verschieben, beeinflusst wesentlich die Effizienz vieler biologischer und technischer Systeme. Erstmals hat eine Forschungsgruppe am Beispiel neuartiger Solarzellen nachgewiesen, dass ein Elektronentransfer bloß drei Femtosekunden dauert.
Zahlreiche Phänomene in der Wissenschaft spielen sich in extrem kurzer Zeit ab, so auch der Transfer von Elektronen zwischen verschiedenen Atomen und Molekülen. Die bisher eingesetzte Lasertechnik vermag Zeitabschnitte zu messen, die mindestens 20 Femtosekunden betragen – das ist zwar schon sehr kurz, aber noch nicht kurz genug. Denn in Wirklichkeit verschieben sich die Elektronen schneller.

Einem Team um Joachim Schnadt von der Uppsala University sowie Forschern vom Paul-Scherrer-Institut (PSI) und der University of Lund ist es gelungen, eine neue Messmethode anzuwenden, die den Elektronentransfer viel genauer erfasst. Dazu nutzten die Wissenschaftler Synchrotronlicht, eine elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich. Damit untersuchten sie eine Nano-Solarzelle, bekannt auch unter dem Namen Grätzel-Zelle.

Nano-Solarzellen sind anders gebaut als herkömmliche Photovoltaik-Anlagen. Das wichtigste Grundmaterial ist hierbei nicht Silicium, sondern ein speziell strukturierter Halbleiter – wie zum Beispiel Titandioxid, das auch manchen Kosmetika sowie Zahnpasta als Farbstoff beigemischt wird. Das Metalloxid wird auf eine Glasplatte aufgebracht, zu einem festen Film verbacken und besteht dann aus winzigen Partikeln, alle zwischen 10 und 30 Nanometer klein. Mit dieser Nanostruktur ist die Oberfläche tausendmal größer als bei einem glatten Film – ein bestechender Vorteil beim Einfangen von Sonnenlicht.

Damit die Nano-Solarzelle funktioniert, muss das Titandioxid in einen Farbstoff getaucht werden. Das einfallende Sonnenlicht regt in den Farbstoff-Molekülen Elektronen so an, dass sie in den Halbleiter darunter fließen und einen elektrischen Strom erzeugen. Um die Ausbeute der Solarenergie möglichst effektiv zu gestalten, sollte einerseits der Farbstoff gut geeignet sein und andererseits der Elektronentransfer möglichst rasch erfolgen.

Die Dauer des Elektronentransfers haben die Forscher am Max-Lab im schwedischen Lund gemessen. Die dort eingesetzte Synchrotronstrahlung regte die Elektronen in den Farbstoff-Molekülen an. Mithilfe der so genannten resonanten Photoemissionspektroskopie (RPES) ließ sich dann die Zerfallszeit des angeregten elektronischen Zustandes messen – sie liegt etwa bei sechs Nanosekunden. Da der Elektronentransfer in den Halbleiter zu diesem Zerfall in direkter Konkurrenz steht, beeinflusste er auch die RPES-Intensität.

Der Vergleich des RPE-Spektrums mit einer anderen spektroskopischen Methode, mit der sich die unbesetzten elektronischen Zustände in den Farbstoffmolekülen bestimmen lässt, lieferte dann die Transferzeit der Elektronen. Das Ergebnis: Die Elektronen springen innerhalb von nur drei Femtosekunden von den angeregten Farbstoff-Molekülen auf das darunter liegende Halbleitermaterial.

Es zeigte sich außerdem, dass der verwendete Farbstoff – ein organisches Molekül mit einem zentralen Ruthenium-Atom – das Sonnenlicht bereits effizient nutzt. Verbesserungen beim Wirkungsgrad solcher Solarzellen, der zurzeit bei zehn Prozent liegt, müssen folglich an anderer Stelle ansetzen. Mit Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI sollen weitere Untersuchungen folgen. Die ultraschnelle Zeitmessung für den Elektronentransfer lässt sich auch für andere Anwendungen in biologischen und technischen Systemen nutzen – zum Beispiel bei der Suche nach neuen chemischen Prozessen in der Pharmaindustrie.

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