Multimodale Elektronenmikroskopie ermöglicht umfassende Einblicke in organische Solarzellen

Das Innenleben organischer Solarzellen beruht auf Strukturen, die so winzig sind, dass sie selbst mit modernsten Methoden kaum fassbar bleiben. Um die molekulare Anordnung dieser Materialien für eine höhere Effizienz zu optimieren, griff die Forschung bislang primär auf Röntgenmethoden zurück, die jedoch nur ein gemitteltes Gesamtbild liefern. Für detaillierte Einblicke in die lokale Struktur und chemische Zusammensetzung auf der Nanoskala sind hingegen Elektronen erforderlich, was bisher eine aufwendige Kombination beider Verfahren nötig machte. Eine neue Studie von Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), des Forschungszentrums Jülich und des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) belegt nun, dass Elektronen beide Aufgaben gleichzeitig bewältigen können.

Mithilfe der dreidimensionalen Elektronenbeugung (3D ED) wies das Team nach, dass Elektronen auch jene gemittelten Strukturinformationen liefern, die zuvor der Röntgenanalytik vorbehalten waren. „Erstmals ermöglicht dies eine umfassende strukturelle Charakterisierung organischer Solarzellen in einem einzigen Instrument – einem Transmissionselektronenmikroskop“, sagt Prof. Dr. Erdmann Spiecker: „Die 3D ED-Methode war der noch fehlende Baustein, um die elektronenmikroskopischen Methoden zu komplettieren.“

Die Arbeit stützt sich auf einen direkten Vergleich von Elektronen- und Röntgendaten identischer Proben, wobei die Ergebnisse trotz der unterschiedlichen physikalischen Grundlagen der Strahlen sowie der Messgeometrien – Röntgenstrahlen agieren in Reflexion, Elektronen in Transmission – verblüffende Übereinstimmungen zeigten. „Es ist wirklich frappierend, wie gut die Messdaten zusammenpassen, obwohl Elektronen und Röntgenstrahlen doch so unterschiedlich sind“, sagt Irene Kraus. Durch das sukzessive Kippen der Probe in der 3D ED lässt sich die molekulare Ordnung in allen drei Dimensionen erschließen, „ähnlich wie bei einer Tomographie“.

Auf die richtige Dosis kommt es an

Eine besondere Hürde bei organischen Solarzellen stellt deren extreme Strahlensensitivität dar, da bereits eine geringe Bestrahlung die molekulare Ordnung zerstören kann. Dies betrifft vor allem Elektronen, die als geladene Teilchen intensiv mit dem Material wechselwirken und lokal viel Energie eintragen, während Röntgenstrahlen ihre Dosis über größere Volumina verteilen und so die lokale Belastung reduzieren. „Man könnte meinen, dass sich Elektronen zur Untersuchung solcher Materialien überhaupt nicht eignen“, sagt Dr. Mingjian Wu: „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.“ Um dies zu meistern, entwickelte das Team für die 3D ED-Methodik spezielle Strategien, bei denen entscheidend ist, „dass man die Strukturinformation extrahiert, bevor das Material signifikant geschädigt wird.“

Dabei schmälern die neuen Erkenntnisse die Relevanz der Röntgentechniken keineswegs, da sich die Stärken beider Ansätze ergänzen: Während Röntgenverfahren durch minimale Probenpräparation ideal für In-situ-Untersuchungen während der Fertigung sind, vereint die Elektronenmikroskopie nun auf einzigartige Weise gemittelte Strukturdaten 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.“

Quelle

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (04/2026)