Die Erforschung organischer Solarzellen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da sie eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen photovoltaischen Materialien darstellen. Ein zentrales Anliegen in diesem Forschungfeld ist das Verständnis der inneren Strukturen dieser Materialien, die für ihre Effizienz entscheidend sind. Um diese Strukturen aufzuklären, müssen Wissenschaftler auf Methoden zurückgreifen, die es ihnen ermöglichen, in Bereiche vorzudringen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Besonders herausfordernd ist dies, da die relevanten Strukturen oft auf der Nanoskala liegen und mit herkömmlichen Analysemethoden schwer zugänglich sind.
Traditionell haben Forscher Röntgenstrahlen verwendet, um die Anordnung der Moleküle in organischen Solarzellen zu untersuchen. Diese Technik liefert wertvolle Informationen, jedoch sind die erlangten Daten oft nur Durchschnittswerte, die die komplexen Strukturen nicht vollständig abbilden können. Um eine detailliertere Analyse auf mikroskopischer Ebene zu ermöglichen, ist der Einsatz von Elektronen erforderlich. Diese Teilchen können nicht nur die lokale Struktur sichtbar machen, sondern auch Informationen über die chemische Zusammensetzung liefern.
Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg einen innovativen Ansatz entwickelt, der die Stärken von Elektronen und Röntgenstrahlen kombiniert. In einer bahnbrechenden Studie, die in der angesehenen Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher, dass die dreidimensionale Elektronenbeugung (3D ED) es ermöglicht, die bisher nur mit Röntgenmethoden zugänglichen strukturellen Informationen ebenfalls mit Elektronen zu gewinnen.
Prof. Dr. Erdmann Spiecker, Leiter des Lehrstuhls für Mikro- und Nanostrukturforschung an der FAU, erklärt, dass die 3D ED-Methode eine bedeutende Ergänzung für die elektronenmikroskopischen Techniken darstellt. „Zum ersten Mal können wir die strukturellen Eigenschaften organischer Solarzellen umfassend mithilfe eines einzigen Instruments – eines Transmissionselektronenmikroskops – charakterisieren“, so Spiecker. Die Studie vergleicht die Messdaten von Elektronen und Röntgenstrahlen an identischen Proben und zeigt, dass die Ergebnisse erstaunlich gut übereinstimmen, obwohl die beiden Methoden grundlegend unterschiedliche Ansätze verfolgen.
Ein herausfordernder Aspekt bei der Untersuchung organischer Materialien ist deren hohe Strahlensensitivität. Bereits geringe Bestrahlung kann die Ordnung der Moleküle in diesen empfindlichen Materialien stören. Elektronen, die geladene Teilchen sind, können aufgrund ihrer starken Wechselwirkung mit dem Material erhebliche Energiemengen einbringen und so potenziell Schäden verursachen. Röntgenstrahlen sind zwar auch schädlich, jedoch werden sie in der Regel auf größere Volumina angewendet, was die lokal aufgebrachte Dosis verringert.
Trotz dieser Herausforderungen haben die Forscher des CENEM (Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy) spezielle Strategien entwickelt, um die Dosis von Elektronen während der 3D ED-Messungen sorgfältig zu steuern. Dr. Mingjian Wu, Senior Scientist am CENEM, hebt hervor, dass wertvolle Informationen gewonnen werden können, wenn die Dosis gut ausbalanciert ist. „Wir müssen sicherstellen, dass wir die strukturellen Informationen extrahieren, bevor das Material signifikant geschädigt wird“, erklärt er.
Diese Fortschritte in der multimodalen Mikroskopie eröffnen neue Möglichkeiten für die Forschung an organischen Solarzellen. Der Ansatz ermöglicht es, verschiedene Informationen über die molekulare Struktur, lokale Anordnung und chemische Zusammensetzung in einem einzigen Experiment zu verknüpfen. Dies ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Effizienz und Funktionalität organischer Solarzellen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklungen in der Elektronenmikroskopie und die Integration von Röntgen- und Elektronenmethoden die Türen zu einer umfassenderen Analyse organischer Solarzellen öffnen. Dies könnte nicht nur die Grundlagenforschung vorantreiben, sondern auch praktische Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien erheblich beeinflussen. Die Erkenntnisse aus dieser Forschung sind nicht nur für die zukünftige Entwicklung effizienterer Solarzellen von Bedeutung, sondern könnten auch weitreichende Anwendungen in anderen Bereichen der Materialwissenschaften finden.
