Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Solartechnik: Forschende lösen Rätsel um mysteriöses Quantenphänomen

30.10.2015

Mechanismus könnte Effizienz von Solarzellen verdoppeln

Ein internationales Team von Forschenden der Universitäten Cambridge, Lund und Kiel sowie des Forschungsinstitutes AMOLF in Amsterdam haben erstmals die sogenannte Singulett-Spaltung in Echtzeit beobachtet und aufgeklärt. Das Phänomen könnte bei der Entwicklung von hoch-effizienten Solarzellen helfen.


Forschende haben einen quantenmechanischen Mechanismus entschlüsselt, der Solarzellen doppelt so effektiv machen könnte.

Foto: AWA, www.flickr.com/photos/rainchurch/

Lizenz: CC BY-SA 2.0


Schrödingers Paradoxon bildlich dargestellt: Mit Hilfe der Quantenmechanik haben Forschende ein 50 Jahre altes Rätsel gelöst.

Robert Couse-Baker, www.flickr.com/photos/29233640@N07/

Lizenz: CC BY 2.0

Was ist die Singulett-Spaltung?

Trifft ein Lichtteilchen (Photon) auf ein Molekül und wird dort absorbiert, dann hebt es in diesem Molekül ein Elektron auf ein höheres Energieniveau. Dieser Zustand höherer Energie wird in der Fachsprache als "Singulett-Exziton" bezeichnet. Auf dem Weg zurück in seinen ursprünglichen, niedrigeren Energiezustand kann das Elektron über einen äußeren Stromkreis abgeführt werden – es entsteht elektrischer Strom.

In einigen wenigen Fällen ist es möglich, dass ein Molekül seine überschüssige Energie benutzt, um ein zweites Molekül in einen angeregten Zustand zu versetzen. Im Anschluss an diesen Prozess befindet sich dann je ein Elektron in den beiden Molekülen auf einem höheren Energieniveau.

Diese Zustände bezeichnet man als "Triplett-Exzitonen". Insgesamt kann ein Lichtteilchen also zwei angeregte Elektronen erzeugen, die wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können – für die Solartechnik ist dieser Vorgang hochinteressant.

Da die Singulett-Spaltung in Femtosekunden (= eine Billiardstel Sekunde) abläuft, ist sie jedoch sehr schwer zu beobachten und zu erklären – und folglich schwer zu kontrollieren. Das internationale Forschungsteam ist letzterem nun näher gekommen, indem es herausgefunden hat, was genau bei diesem Phänomen vor sich geht:

Sie bestrahlten Pentacen-Moleküle mit ultrakurzen Femtosekunden-Laserimpulsen, um zu sehen, ob sich einzelne Photonen in zwei energetisch angeregte Elektronen umwandeln können. Das Ergebnis: Die „zwei für eins“-Umwandlung beinhaltet einen Zwischenzustand, in dem die beiden Triplett-Exzitonen ineinander verschränkt sind.

Schrödingers Katze lässt grüßen

„Das Hauptproblem bei der Echtzeit-Beobachtung der Singulett-Spaltung ist, dass die verknüpften Triplett-Exzitonen für fast alle optischen Abtastungen ‚dunkel‘ sind“, sagt Professorin Dassia Egorova von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). „Das heißt, dass sie nicht direkt durch Licht erzeugt oder vernichtet werden können und somit nicht nachweisbar sind.“

Um das zu umgehen, haben die Experimentatoren aus Cambridge und Amsterdam das sogenannte zwei-dimensionale Photonen-Echo Signal in einem weltweit führenden Labor in Lund gemessen. Angeführt von Egorovas Kieler Team konnten sie anschließend ein erklärendes Modell entwickeln. Es beweist, dass wenn Pentacen-Moleküle von Laserimpulsen zur Vibration angeregt werden, sich ihre Form verändert.

Das führt dazu, dass das verschränkte Triplett-Paar kurzzeitig in der Lage ist, Licht zu absorbieren und damit nachweisbar wird. „Das Modell erklärt, dass die Moleküle durch das Vibrieren neue Quantenzustände besitzen, die gleichzeitig die Eigenschaften sowohl des lichtabsorbierenden Singulett-Exzitons, als auch die des ‚dunklen‘ Triplett-Paars haben“, sagt Egorova.

Zwei entgegengesetzte Zustände also, die in der Quantentheorie als „Superpositionen“ beschrieben werden. Bekannt sind diese seit Erwin Schrödingers Gedankenexperimenten aus den 1930er Jahren, nach denen eine Katze in einer Kiste mit den Regeln der Quantentheorie gleichzeitig lebendig und tot ist.

Die Studie aus Cambridge, Lund, Kiel und Amsterdam könnte jetzt dazu führen, die Singlett-Spaltung kontrollierbar zu machen. Neuartige, hoch-effiziente Solarzellen könnten dann doppelt so viel Strom aus einfallendem Licht erzeugen.

Originalpublikation:
Bakulin, Artem et. al.
Real-time observation of multiexcitonic states in ultrafast singlet fission using coherent 2D electronic spectroscopy
Nature Chemistry (2015) | DOI: 10.1038/nchem.2371

Kontakt:
Professorin Dr. Dassia Egorova
Institut für Physikalische Chemie
Tel.: 0431/880 7741
E-Mail: egorova@phc.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Denis Schimmelpfennig
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Jubiläum: www.uni-kiel.de/cau350 
Twitter: www.twitter.com/kieluni , Facebook: www.facebook.com/kieluni 
Link zur Pressemitteilung: http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2015-391-solartechnik

Denis Schimmelpfennig | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Leuchtende Nanoarchitekturen aus Galliumarsenid
22.02.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Neuer Sensor zur Messung der Luftströmung in Kühllagern von Obst und Gemüse
22.02.2018 | Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics