Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hat eine bahnbrechende Technik entwickelt, um dunkle Exzitonen in Halbleitern zu untersuchen. Dunkle Exzitonen sind besondere Paare aus Elektronen und deren Löchern, die Energie speichern, jedoch kein Licht abgeben. Diese Innovation eröffnet neue Perspektiven für die Forschung im Bereich der Halbleiter und könnte erhebliche Auswirkungen auf die Photovoltaik haben.

Die Ergebnisse dieser Studien wurden in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht. Die verwendete Technik trägt den Namen „Ultraschnelle Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie“ und ermöglicht es, die Dynamik von Ladungsträgern präzise in Materialstrukturen zu beobachten. In diesem Fall konzentrierten sich die Forscher auf Wolframdiselenid (WSe₂) und Molybdändisulfid (MoS₂). Der Nachweis der Entstehung dunkler Exzitonen erfolgte auf einer Zeitskala von 55 Femtosekunden mit einer beeindruckenden räumlichen Auflösung von 480 Nanometern.

Erstmals experimenteller Nachweis

Laut Scinexx haben die Forscher mit ihrer Methodenentwicklung erstmals dunkle Exzitonen in Halbleitern nachgewiesen. Diese bestehen aus einem durch Licht angeregten Elektron und einem Elektronenloch mit abweichendem Impuls, was sie in gängigen Nachweismethoden unsichtbar macht. Durch den Einsatz von Laserpulsen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich, gefolgt von energiereichen Laserpulsen im extremen UV-Bereich, konnten die Forscher dunkle Exzitonen sichtbar machen und deren Eigenschaften analysieren.

Die Messungen zeigten, dass dunkle Exzitonen eine längere Lebensdauer haben als ihre hellen Gegenparts. In der Tat dominieren dunkle Exzitonen nach kurzer Zeit und übertreffen die Menge der hellen Exzitonen um das Doppelte. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur die Grundlagen der Halbleiterforschung, sondern auch die Optoelektronik maßgeblich beeinflussen.

Ein Blick auf die Photovoltaik

Ein weiterer relevantes Thema ist der Zusammenhang zwischen der Forschung an Exzitonen und der Photovoltaik, wie in einem Bericht der Technischen Universität Berlin beleuchtet wird. Photovoltaiktechnologien, die Licht in Elektrizität umwandeln, sind entscheidend für eine nachhaltige Energieversorgung. In diesem Kontext spielt die Anregungsverdopplung von Materialien wie Pentacen eine zentrale Rolle, die es ermöglichen könnte, ein Photon in zwei Elektronen umzuwandeln. Diese Technologie könnte den Wirkungsgrad von Solarzellen deutlich steigern.

Wissenschaftler haben nun den Mechanismus entschlüsselt, durch den Elektronen in solchen Materialien angeregt werden. Dies ist ein entscheidender Schritt, um Exzitonen in photovoltaischen Anwendungen effektiv nutzen zu können. Fortschritte in diesem Bereich könnten in naher Zukunft signifikante Auswirkungen auf die Entwicklung von hocheffizienten Solarzellen haben.

Insgesamt zeigen die jüngsten Forschungen, dass dunkle Exzitonen mehr sind als bloße theoretische Konzepte. Ihre Untersuchung könnte der Schlüssel zu innovativen Techniken in der Halbleiterforschung und damit zu neuen, hocheffizienten Photovoltaiklösungen sein.