Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Göttingen hat erfolgreich eine neue Technik zur Untersuchung von dunklen Exzitonen entwickelt. Diese speziellen Paare aus Elektronen und deren Löchern tragen Energie, geben jedoch kein Licht ab. Die Ergebnisse dieser grundlegenden Forschung wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Die neue Methode mit dem Namen „Ultraschnelle Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie“ ermöglicht es, die Dynamik der Ladungsträger mit einer beeindruckenden Auflösung von 480 Nanometern zu beobachten. Dunkle Exzitonen wurden in einer Materialstruktur aus Wolframdiselenid (WSe₂) und Molybdändisulfid (MoS₂) untersucht. Diese Entdeckung könnte erhebliche Auswirkungen auf die Qualität und Effizienz von Solarzellen haben, da sie ein besseres Verständnis der in diesen Materialien stattfindenden Prozesse liefert.
Erstmaliger Nachweis und Eigenschaften der dunklen Exzitonen
Der experimentelle Nachweis von dunklen Exzitonen wurde nun erstmals in Halbleitern erbracht, wie Scinexx berichtet. Dunkle Exzitonen bestehen aus einem durch Licht angeregten Elektron und einem Elektronenloch mit abweichendem Impuls. Entscheidend war, dass dunkle Exzitonen in der Anzahl die hellen Exzitonen übertreffen, was verschiedene Implikationen für die Halbleiterforschung und Optoelektronik hat.
Diese Art von Exzitonen wurde bereits theoretisch in den 1960er-Jahren vorhergesagt und entsteht in Halbleitermaterialien, die durch Licht angeregt werden. Bei den Experimenten wurde ein Laserpuls verwendet, der das Halbleitermaterial anregte, und ultraschnelle UV-Laserpulse wurden eingesetzt, um die Elektronen aus dem Material zu entfernen. Die Messungen zeigten, dass dunkle Exzitonen eine längere Lebensdauer aufweisen als ihre hellen Gegenstücke.
Relevanz für die Photovoltaik
Die Forschung zur Umwandlung von Licht in Elektrizität spielt eine Schlüsselrolle für eine nachhaltige Energieversorgung. Wie von TU Berlin erklärt, wird in Solarzellen die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Ein interessantes Beispiel ist das molekulare Material Pentacen, das in der Lage ist, ein Photon in zwei Elektronen umzuwandeln (Anregungsverdopplung). Diese Anregungsverdopplung könnte die Effizienz der Photovoltaik erheblich verbessern, indem sie den Wirkungsgrad um bis zu ein Drittel erhöhen könnte.
Die Verwendung von ultraschnellen Techniken zur Beobachtung der Elektronendynamik auf Femtosekunden-Zeitskala hat es den Forschern ermöglicht, den Mechanismus der Exzitonenspaltung zu identifizieren, der für die Anwendung in photovoltaischen Systemen entscheidend ist. Diese Fortschritte könnten erhebliche Auswirkungen auf die nächste Generation von Solarzellen haben und wichtige neue Impulse für die Energieversorgung der Zukunft setzen.