Elektronen, die Alleskönner
Multimodale Elektronenmikroskopie ermöglicht umfassende Einblicke in
organische Solarzellen
Wie funktionieren organische Solarzellen im Inneren? Die Antwort liegt in
Strukturen, die viel zu klein sind, um sie direkt zu sehen – und die
selbst mit modernsten Methoden schwer zugänglich sind. Bisher nutzen
Forschende vor allem Röntgenmethoden, um zu verstehen, wie sich Moleküle
in diesen Materialien anordnen und wie sich diese Ordnung für besonders
effiziente Solarzellen optimieren lässt.
Röntgenstrahlen liefern dabei
wertvolle Informationen, zeigen jedoch nur ein gemitteltes Bild. Für eine
mikroskopische Untersuchung auf der Nanoskala benötigt man Elektronen: Sie
machen sowohl die lokale Struktur als auch die chemische Zusammensetzung
sichtbar. Eine umfassende Strukturanalyse erforderte bislang die
Kombination beider Methoden. In einer neuen Studie zeigen Forschende der
Friedrich-Alexander-Universitä
Partnern vom Forschungszentrum Jülich und dem Deutschen Elektronen-
Synchrotron (DESY) in Hamburg, dass Elektronen beides leisten können.
Veröffentlicht hat das Team seine Studie in der renommierten Zeitschrift
Nature Communications.
Mithilfe der dreidimensionalen Elektronenbeugung (3D ED) zeigen die
Forschenden, dass sich mit Elektronen auch jene gemittelten
Strukturinformationen gewinnen lassen, die bislang nur über
Röntgenmethoden zugänglich waren. „Erstmals ermöglicht dies eine
umfassende strukturelle Charakterisierung organischer Solarzellen in einem
einzigen Instrument – einem Transmissionselektronenmikrosk
Dr. Erdmann Spiecker, Leiter des Lehrstuhls für Mikro- und
Nanostrukturforschung sowie des Center for Nanoanalysis and Electron
Microscopy (CENEM) an der FAU, der das Projekt leitete. „Die 3D ED-Methode
war der noch fehlende Baustein, um die elektronenmikroskopischen Methoden
zu komplettieren.“
Im Zentrum der Arbeit steht ein direkter Vergleich von Elektronen- und
Röntgendaten identischer Proben. „Es ist wirklich frappierend, wie gut die
Messdaten zusammenpassen, obwohl Elektronen und Röntgenstrahlen doch so
unterschiedlich sind“, sagt Irene Kraus, die die 3D ED-Untersuchungen im
Rahmen ihrer Doktorarbeit durchgeführt und beide Methoden eingehend
verglichen hat. Zudem unterscheiden sind die Geometrien der Messungen
grundlegend: Röntgenstrahlen untersuchen die Probe unter flachen Winkeln
in Reflexion, während Elektronen sie durchdringen. „Durch sukzessives
Kippen der Probe in 3D ED erschließt sich die Ordnung der Moleküle in
allen drei Dimensionen – ähnlich wie bei einer Tomographie“.
Auf die richtige Dosis kommt es an
Bei organischen Solarzellen kommt jedoch noch eine ganz andere
Herausforderung hinzu: Sie sind extrem strahlensensitiv, das heißt, schon
geringste Bestrahlung zerstört die Ordnung der Moleküle. Das gilt
besonders für Elektronen, die als geladene Teilchen eine starke
Wechselwirkung mit dem Material zeigen und lokal viel Energie in das
sensitive Material eintragen. Röntgenstrahlen können das Material
ebenfalls schädigen, werden aber auf große Probenvolumina angewandt, so
dass die lokal applizierte Dosis vergleichsweise gering ist. „Man könnte
meinen, dass sich Elektronen zur Untersuchung solcher Materialien
überhaupt nicht eignen“, sagt Dr. Mingjian Wu, Senior Scientist am CENEM
und Mitbetreuer des Projekts. „Das ist aber keineswegs der Fall: Schon in
früheren Arbeiten konnten wir und andere Gruppen zeigen, dass sich
wertvolle strukturelle Informationen gewinnen lassen, wenn man die
eingebrachte Dosis nur sorgfältig ausbalanciert.“ Für die 3D ED-Methodik
hat das Team spezielle Strategien entwickelt, die zuverlässig umsetzbar
sind. „Entscheidend ist, dass man die Strukturinformation extrahiert,
bevor das Material signifikant geschädigt wird.“
Wichtig ist: Die Ergebnisse schmälern die Bedeutung der Röntgentechniken
nicht – vielmehr ergänzen sich die Stärken der Methoden. Röntgenverfahren
erfordern nur eine minimale Probenpräparation und eignen sich besonders
gut für in-situ Untersuchungen von strukturellen Änderungen während der
Prozessierung. Die Elektronenmikroskopie hingegen vereint nun auf
einzigartige Weise gemittelte Strukturinformationen mit lokaler Abbildung
und chemischer Analyse. „Das nennen wir multimodale Mikroskopie“,
erläutert Spiecker. „Sie erlaubt es uns, unterschiedliche Informationen –
von der molekularen Textur bis hin zu lokaler Ordnung und Zusammensetzung
– direkt in einem Experiment miteinander zu verknüpfen.“
Forschungsschwerpunkt des CENEM
Multimodale und korrelative Mikroskopie funktionaler Materialien stellen
einen zentralen Forschungsschwerpunkt am CENEM dar. Dieser Ansatz bildet
zugleich den Kern des kürzlich eingerichteten, von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Graduiertenkollegs GRK 3103
„Correlative Materials Microscopy: From nanostructured functional films to
hierarchical functional materials (CorMic)“, eines Promotionsprogramms mit
13 Promotionsprojekten.
Die gewonnenen Erkenntnisse zu Solarzellmaterialien sind zudem von
zentraler Bedeutung für den ebenfalls von der DFG geförderten
Sonderforschungsbereich SFB 1719 „Next-generation printed semiconductors:
Atomic-level engineering via molecular surface chemistry (ChemPrint)“.
Beide Initiativen sind an der FAU Erlangen-Nürnberg angesiedelt.
Direkt zur Studie:
https://www.nature.com/article
Bildmaterial zum Download:
https://www.fau.de/2026/04/new
