Forscher haben die Bildung von sogenannten Polaronen in Zinkoxid untersucht. Pseudoteilchen wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden. Die Wissenschaftler haben damit einen weiteren Schritt bei der Umwandlung von Licht in speicherbare Energie aufgeklärt.
Ihre unter anderem für die Photovoltaik wichtigen Erkenntnisse haben Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Beteiligt waren Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts Berlin und der Aalto University in Helsinki. Die Natur macht es vor: Sie wandelt Licht in speicherbare Energie und nutzt solche Prozesse seit Milliarden Jahren bei der Photosynthese. So werden mithilfe von Licht Kohlenhydrate aufgebaut.
In der Forschung gewinnt nun Photokatalyse immer mehr an Bedeutung. Durch Licht werden chemische Prozesse beschleunigt. Auch bei der Photovoltaik konnte der Wirkungsgrad so stetig verbessert werden. Allerdings sind die Prozesse bis heute nur in groben Zügen erforscht. Zunächst wird in einem photoaktiven Material Licht absorbiert: 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.
Elektronen-Loch-Paare nur kurze Zeit stabil
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.
Die Forscher haben Experimente an dem photoaktiven Material Zinkoxid durchgeführt, um Bildung und Bewegung der Polaronen zu untersuchen. Dabei kommt ein Gerät zur Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS) mit einer zeitlichen Auflösung von 100 Millisekunden zum Einsatz. So wurden Infrarotspektren an Zinkoxid-Einkristallen vermessen und ein bislang unbekanntes Pseudoteilchen gefunden. Erst später wurden die Absorptionsbanden dann eindeutig sogenannten Loch-Polaronen zugeordnet. (nhp)