Ladungstransfer innerhalb von Übergangsmetall-Farbstoffen analysiert

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