Für die Entwicklung hochleistungsfähiger und effizienter Materialien schafft die Arbeitsgruppe „Strukturforschung mit XFELs und Synchrotronstrahlung“ vom Institut für Experimentelle Physik mit ihrer Grundlagenforschung wesentliche Voraussetzungen.

Dafür analysiert das Team in Kooperation mit nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen in einem neuen Verfahren erstmals detailgetreu die Prozesse in einem Modellsystem für organische Solarzellen innerhalb von für Menschen kaum wahrnehmbaren Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde. Bei ihren Forschungen arbeiten die Freiberger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eng mit dem European X-Ray Free-Electron Laser (EuXFEL), dem Freie-Elektronen-Laser FLASH, DESY in Hamburg, mit der Advanced Light Source in Berkeley (USA) und dem Synchrotron BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin zusammen. 

Schlüssel für Echtzeit-Analyse und Messungen interner Parameter sind ultraschnelle Lichtblitze an EuXFEL und FLASH in Hamburg. Letzterer ist der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Röntgenquellen nutzt das Team für die Erweiterung um die zeitaufgelöste Röntgen-Photoemissionsspektroskopie (TR-XPS). Eine Methode, die auf dem äußeren Photoeffekt basiert. Diesen hatte bereits Albert Einstein erklärt und dafür 1921 den Nobelpreis für Physik erhalten.

Damit wird es möglich, Ladungstrennung und -rekombinationsprozesse sowie deren Dynamiken beim Auftreffen von Licht auf ein Modellsystem zu analysieren. Ein solches System kann dabei eine organische Solarzelle sein, also eine Solarzelle, die aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen besteht. Mit dieser Messmethodik können Informationen über Ladungstransferprozesse gewonnen und so zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Bauteilen eingesetzt werden. Ladungstransferprozesse spielen bei vielen aktuellen Forschungsthemen im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit und erneuerbaren Energien eine wichtige Rolle. So wurden in den vergangenen Jahren Beiträge für das Verständnis der Prozesse nach Lichtanregung in Modellsystemen für organische Solarzellen publiziert.

Diese Erkenntnisse lassen sich für die Entwicklung hochleistungsfähiger und effizienterer Solarzellen nutzen und bieten zugleich Optimierungsmöglichkeiten im Bereich der Materialwissenschaft. In Zukunft soll diese Messmethodik auf die Untersuchung von Ladungstransferdynamiken bei photo-katalytischen Reaktionen, wie zum Beispiel der nachhaltigen Wasserstoffproduktion, erweitert werden.