Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hat eine bahnbrechende neue Technik zur Untersuchung von dunklen Exzitonen entwickelt. Dunkle Exzitonen sind spezielle Paare aus Elektronen und ihren entsprechenden Löchern, die zwar Energie tragen, jedoch kein Licht abgeben. Diese Bedeutung für die Halbleiterforschung könnte weitreichende Auswirkungen auf die Effizienz von Solarzellen haben.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht. Bei den Untersuchungen wurde die Technik der „Ultraschnellen Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie“ eingesetzt, um die Dynamik dieser dunklen Exzitonen präzise sichtbar zu machen. Zu den getesteten Materialien gehörten Wolframdiselenid (WSe₂) und Molybdändisulfid (MoS₂).
Messungen und Entdeckung
Mit dieser neuen Methode ist es den Forschern gelungen, die Entstehung der dunklen Exzitonen auf einer Zeitskala von nur 55 Femtosekunden nachzuweisen und dabei eine Auflösung von 480 Nanometern zu erzielen. Diese Entdeckung ist besonders bemerkenswert, da die Existenz von Exzitonen in Halbleitern theoretisch bereits in den 1960er Jahren vorhergesagt wurde. Es wurde festgestellt, dass die dunklen Exzitonen in Halbleitermaterialien zahlreicher sind als ihre hellen Gegenparts, was die Bedeutung dieser Entdeckung unterstreicht.
Der Versuch wurde durchgeführt, indem Halbleitermaterialien mit Laserpulsen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich angeregt wurden. Anschließend kamen energiereiche Laserpulse im extremen UV-Bereich zum Einsatz. Diese ausgeklügelte Methode ermöglichte den ersten experimentellen Nachweis und die Beobachtung der Eigenschaften dunkler Exzitonen.
Auswirkungen auf die Photovoltaik
Die Resultate dieser Forschung könnten weitreichende Konsequenzen für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen haben. Dunkle Exzitonen besitzen eine längere Lebensdauer als helle Exzitonen und ihre Dominanz könnte zur Verbesserung der Effizienz von photovoltaischen Materialien beitragen. Durch die Optimierung der Materialien könnte der Wirkungsgrad von Solarzellen um ein Drittel erhöht werden, wenn anregungsverdoppelte Materialien wie Pentacen zum Einsatz kommen. Diese Fortschritte sind besonders wichtig in Anbetracht der globalen Bestrebungen, nachhaltige Energiequellen auszubauen.
Die Untersuchung wurde durch DFG-geförderte Sonderforschungsbereiche in Göttingen und Marburg unterstützt. Dies zeigt, wie interdisziplinäre Ansätze in der Forschung entscheidend sind, um die Herausforderungen der zukünftigen Energieversorgung zu bewältigen.
Zusammengefasst stellt die vorliegende Forschung einen bedeutenden Fortschritt in der Halbleiterforschung und insbesondere für die Photovoltaik dar. Angesichts der oben genannten Erkenntnisse wird klar, dass die Entwicklung neuer Techniken zur Untersuchung solcher Materialien wegweisend für die nächsten Schritte in der Energietechnologie ist.
