Grazer Forscher filmen den Weg von Licht zu Strom
Wie wird aus Licht Strom? Forschende mit Beteiligung der Universität Graz haben erstmals die entscheidenden ersten Augenblicke dieses Prozesses sichtbar gemacht - und liefern damit neue Erkenntnisse für die Photovoltaik.
Wenn Licht auf ein Material trifft, können dessen Photonen Elektronen energetisch anregen. Dabei entstehen Paare aus einem Elektron und einem sogenannten Elektronenloch. Diese kurzlebigen Verbindungen werden Exzitonen genannt und spielen eine zentrale Rolle in modernen optoelektronischen Materialien – etwa in organischen Solarzellen. Obwohl Exzitonen seit Jahrzehnten bekannt sind, war ihre innere quantenmechanische Struktur bislang weitgehend verborgen. Einem Forschungsteam der Universität Graz, der Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich ist es nun erstmals gelungen, die räumliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Momenten seines Lebens experimentell zu rekonstruieren.
Ein Blick in die Quantenwelt
Die Messungen zeigen, dass sich das Elektron-Loch-Paar unmittelbar nach seiner Entstehung über etwa drei Moleküle erstreckt. Innerhalb von rund 400 Femtosekunden – also 400 Billiardstelsekunden – schrumpft es um etwa 25 Prozent. Um diese extrem schnelle Entwicklung sichtbar zu machen, regten die Forschenden zunächst mit Licht ein Exziton an. Anschließend lösten sie dessen Elektronen mithilfe eines hochenergetischen Laserpulses aus der Bindung. Aus Energie und Flugrichtung der freigesetzten Elektronen konnten sie auf deren quantenmechanischen Zustand schließen. Indem der zeitliche Abstand zwischen der ersten Anregung und dem zweiten Laserpuls verändert wurde, entstanden Momentaufnahmen aus unterschiedlichen Phasen. Zusammengesetzt ergeben sie gewissermaßen einen Film der Vorgänge in der Quantenwelt. „Nun ist es uns erstmals gelungen, die räumliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seines Lebens experimentell zu rekonstruieren“, erklärt Peter Puschnig, Professor für Elektronische Struktur von Nanomaterialien am Institut für Physik der Universität Graz.
Internationale Zusammenarbeit
Möglich wurde der Erfolg durch die enge Zusammenarbeit dreier Forschungsgruppen. Das Team um Stefan Tautz am Forschungszentrum Jülich stellte die benötigten organischen Halbleiterproben her und charakterisierte sie. Dabei handelte es sich um hauchdünne, geordnete Filme aus dem Molekül 6T auf einer speziell präparierten Kupferoberfläche. Die Proben wurden unter Ultrahochvakuumbedingungen nach Marburg transportiert, damit ihre Qualität erhalten blieb. An der Universität Marburg führte die Gruppe um Ulrich Höfer die hochpräzisen Photoemissionsexperimente durch und wertete die Messdaten aus. Das Team von Peter Puschnig an der Universität Graz lieferte die theoretischen Grundlagen. Die Forschenden entwickelten Konzepte zur Beschreibung der Photoemission aus Exzitonen, führten quantenmechanische Simulationen durch und erarbeiteten ein Modell zur Interpretation der experimentellen Daten. Eine wesentliche Grundlage dafür ist die sogenannte Photoemission Orbital Tomography (POT). Die Methode wurde in der Grazer Arbeitsgruppe entwickelt und gemeinsam mit Forschenden aus Jülich zu einem international eingesetzten Verfahren zur Untersuchung elektronischer Zustände in organischen Materialien ausgebaut.
Neue Erkenntnisse für die Photovoltaik
Die Arbeit ist zugleich ein wichtiger Meilenstein des EU-Forschungsprojekts „Orbital Cinema“, das durch einen ERC Synergy Grant gefördert wird. Ziel ist es, die Dynamik von Elektronen in Materialien mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen. Als Nächstes wollen die Forschenden beobachten, wie sich Elektron und Loch in sogenannten Donor-Akzeptor-Systemen voneinander trennen. Genau dieser Vorgang ist für Solarzellen entscheidend: Er beeinflusst, wie effizient Licht letztlich in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Damit liefert die Grundlagenforschung nicht nur neue Einblicke in Prozesse, die sich innerhalb unvorstellbar kurzer Zeiträume abspielen. Sie könnte auch dazu beitragen, organische Solarzellen künftig gezielter zu entwickeln und die nachhaltige Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht effizienter zu machen. Die Studie „Observing the spatial and temporal evolution of exciton wave functions in organic semiconductors“ wurde am 28. August 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht.