Themen: Solarenergie (252) Materialforschung (72) BESSY II (272) HZB-Eigenforschung (104)

Science Highlight    09.07.2019

Ladungstransfer innerhalb von Übergangsmetall-Farbstoffen analysiert

Ein Röntgenpuls untersucht die Delokalisierung von Eisen 3d-Elektronen auf anliegende Liganden.
Copyright: M. Künsting/HZB

In farbstoffbasierten Solarzellen sorgen Übergangsmetall-Komplexe dafür, dass Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Bisher ging man davon aus, dass innerhalb des Moleküls eine räumliche Ladungstrennung stattfindet. Dass dies eine zu simple Beschreibung des Prozesses ist, zeigt eine Analyse an BESSY II. Erstmals hat dort ein Team die fundamentalen elektronischen Prozesse rund um das Metallatom und seine Liganden untersucht. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie, International Edition“ erschienen und stellt das Titelbild.

Organische Solarzellen wie die Grätzel-Zelle bestehen aus Farbstoffen, die auf Übergangsmetall-Komplex-Verbindungen basieren. Sonnenlicht regt die äußeren Elektronen des Komplexes so an, dass sie von Orbitalen am Metallzentrum in Orbitale angrenzender Verbindungen transportiert werden. Bisher ging man davon aus, dass bei diesem Prozess Ladungsträger räumlich getrennt werden, welche dann abgezogen werden, sodass ein elektrischer Strom fließen kann. Dass dies nicht so ist, hat nun ein Team um Alexander Föhlisch am HZB aufklären können.

Mithilfe der kurzen Röntgenpulse von BESSY II im Low-Alpha-Betrieb konnten sie Schritt für Schritt verfolgen, welche Prozesse die Anregung durch Licht (Laserpuls) in einem Eisenkomplex auslöst. „Wir können direkt beobachten, wie der Laserpuls die 3d-Orbitale am Metall entvölkert“, erklärt Raphael Jay, Doktorand und Erstautor der Studie. Mit Hilfe von theoretischen Berechnungen konnten sie die Messdaten aus der zeitaufgelösten Röntgenabsorptions-Spektroskopie sehr genau interpretieren. Dabei ergibt sich folgendes Bild: Der Laserpuls sorgt zunächst tatsächlich dafür, dass Elektronen vom 3d-Orbital des Eisenatoms auf die angrenzenden Liganden delokalisiert werden. Diese Liganden schieben allerdings ihrerseits sofort Ladung zurück in Richtung des Metall-Atoms, wodurch der Verlust elektronischer Ladung am Metall und die damit ursprünglich verbundene Ladungstrennung sofort kompensiert wird.

Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Materialien für Farbstoffsolarzellen zu entwickeln. Denn bisher werden standardmäßig Ruthenium-Komplexe in organischen Solarzellen verwendet. Ruthenium ist jedoch ein seltenes Element und entsprechend teuer. Eisen-Komplexe wären deutlich billiger, weisen aber hohe Rekombinationsraten auf. Weitere Untersuchungen werden zeigen, worauf es bei Übergangsmetall-Komplexen ankommt, damit Licht effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Covalency-driven preservation of local charge densities in a metal-to-ligand charge-transfer excited iron photosensitizer

Raphael M. Jay, Sebastian Eckert, Vinícius Vaz da Cruz, Mattis Fondell, Rolf Mitzner, and Alexander Föhlisch

Angewandte Chemie International Edition

Doi: 10.1002/anie.201904761

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • SCIENCE HIGHLIGHT      10.07.2019

    Älteste vollständig erhaltene Lilie entdeckt

    Bereits vor 115 Millionen Jahren waren tropische Blütenpflanzen offenbar sehr vielfältig und zeigten alle typischen Merkmale. Zu diesem Schluss kommt ein internationales Forscherteam unter Leitung von Clément Coiffard, Museum für Naturkunde Berlin. Das Team berichtet in der renommierten Fachzeitschrift Nature Plants über die älteste vollständig erhaltene Lilie, Cratolirion bognerianum, die an einem Fundort im heutigen Brasilien entdeckt wurde. Mit Hilfe von 3D-Computertomographien am Helmholtz-Zentrum Berlin ließen sich auch Details auf der Rückseite der fossilisierten Pflanze analysieren. Die Ergebnisse werfen neue Fragen über die Rolle der Tropen bei der Entwicklung damaliger und heutiger Ökosysteme auf. [...]


  • <p>Nach Anregung durch Synchrotronstrahlung (gr&uuml;n) emittiert Nickel R&ouml;ntgenlicht (gelb). Die Anzahl der emittierten Photonen nimmt jedoch ab, wenn sich die Temperatur von Raumtemperatur (links) auf 900 &deg;C erh&ouml;ht (rechts).</p>SCIENCE HIGHLIGHT      28.06.2019

    Ultraschneller Magnetismus: Elektron-Phonon-Wechselwirkungen an BESSY II analysiert

    Wie schnell kann ein Magnet seine Ausrichtung ändern und was sind die mikroskopischen Mechanismen? Diese Fragen sind für die Entwicklung von Datenspeichern und Computerchips von größter Bedeutung. Jetzt ist es einem HZB-Team am BESSY II erstmals gelungen, den wichtigsten mikroskopischen Prozess des ultraschnellen Magnetismus experimentell zu beobachten. Die zu diesem Zweck entwickelte Methodik kann auch zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Spins und Gitterschwingungen in Graphen, Supraleitern oder anderen (Quanten-)Materialien verwendet werden. [...]




Newsletter