Einen wichtigen Schritt der Umwandlung von Licht in speicherbare Energie haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) aufgeklärt: Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts Berlin und der Aalto University in Helsinki/Finnland untersuchten sie die Bildung von sogenannten Polaronen in Zinkoxid. Die Pseudoteilchen wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden. Ihre unter anderem für die Photovoltaik wichtigen Erkenntnisse veröffentlichen die Forscher in der Zeitschrift Nature Communications.
Die der Photovoltaik zugrunde liegenden Prozesse sind 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.
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 nun Experimente an dem photoaktiven Material Zinkoxid durchgeführt, um Bildung und Bewegung der Polaronen zu untersuchen. Dabei setzten sie
eine am KIT entwickelte 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 so genannten Loch-Polaronen zuzuordnen.
