Solarmodule – verbesserte Verfahren zur Messung des Elektronentransfers

Auch wenn sie von Nutzen sind, um das Potenzial einer Solaranlage zu bestimmen, liefern die aktuellen Verfahren zur Beobachtung des Elektronentransfers zwischen Grenzflächen nach wie vor keine eindeutigen Ergebnisse. Nun haben die Wissenschaftler der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ein substratspezifisches Verfahren entwickelt, mit dem der Elektronentransfer festgestellt werden kann. Ihre wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel „Interfacial Electron Injection Probed by a Substrate-Specific Excitonic Signature“ wurde in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht und beschreibt, wie das Team ein substratspezifisches Verfahren zur Messung des Elektronentransfers entwickelte.

Sensibilisierte Solarzellen, die aus einem molekularen oder Feststoff-Photosensibilisator bestehen, der Licht einfängt und ein Elektron in ein leitendes Substrat abgibt, zählen zu den am besten erforschten Photovoltaiksystemen. Aktuelle Methodiken, bei denen stets Lichtwellen mit einer Frequenz zum Einsatz kommen, die vom sichtbaren Bereich bis in den Terahertz-Bereich reichen (Wellenlängen von etwa 400 bis 30 000 nm), liefern unter Umständen zweideutige Ergebnisse. Diese Ansätze sind auf Ladungsträger ausgerichtet, die im Leitungsband des Halbleitersubstrats frei bleiben. Daher sind sie nicht für den Substrattyp spezifisch und können nicht für die neue Generation von Feststoff-sensibilisierten Solarzellen angewandt werden.

Das EPFL-Team setzte sich zum Ziel, die mit aktuellen Verfahren bestehenden Grenzen zur Messung des Elektronentransfers zu überwinden, indem sie zwei Typen von mit Farbstoff sensibilisierten Solarkonversionssystemen untersuchten: Eines basierte auf Titandioxid-, das andere auf Zinkoxid-Nanopartikeln – beide zählen zu den Übergangsmetalloxid-Substraten. Mithilfe tief ultravioletter Kontinuumimpulse entwickelten die EPFL-Wissenschaftler ein substratspezifisches Verfahren zur Untersuchung des Elektronentransfers.

In ihrem Paper erklären sie: „(…) wir demonstrieren die Anwendung tief ultravioletter Kontinuumimpulse, mit denen wir den Elektronentransfer zwischen Grenzflächen untersuchen, indem wir einen bestimmten exzitonischen Übergang sowohl bei N719-sensibilisiertem Anatas- als auch bei ZnO-Wurtzit-Nanopartikeln feststellen.“ Es wurde nachgewiesen, dass „(…) das Signal bei der Elektroneninjektion aus dem Farbstoff N719 in das TiO2 von einem reichweitenstarken Coulomb-Screening der finalen Zustände der exzitonischen Übergänge dominiert ist, wohingegen es bei sensibilisiertem ZnO von einem Füllen des Phasenraums dominiert ist.“

Bei Übergangsmetalloxiden (TiO2, ZnO, NiO) handelt es sich um Isolatoren mit großer Bandlücke, die sich in den letzten beiden Jahrzehnten als interessante Werkstoffe für Anwendungen im Bereich der Photokatalyse und der Solarenergieumwandlung erwiesen. Trotz der hohen Nachfrage nach solchen Materialien sind die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten, die hinter der Anregung von Elektronen (dem Frenkel-, Wannier- oder dem Landungstransfer-Exziton) stehen, noch immer unklar. Ein Advanced Grant der EU unterstützte die Forscher unter dem Schirm des Projekts DYNAMOX (Charge carrier dynamics in metal oxides), in dem neuartige experimentelle Mittel entwickelt werden, mit denen bis dato unzugängliche Informationen zur Ladungsträgerdynamik in Übergangsmetalloxiden erhoben werden könnten. Die in Lausanne geleistete Forschungsarbeit wird dabei helfen, den exzitonischen Übergang genauer nachzuvollziehen.

Weitere Informationen:
CORDIS-Projektwebseite