Solarzellenmaterial kann selbstfahrenden Autos bei Dunkelheit helfen

02.10.2023

Rui Zhang, Postdoc-Stipendiat am IFM, ist einer der Hauptautoren des in Nature Photonics veröffentlichten Artikels.

Olov Planthaber

Das in organischen Solarzellen verwendete Material kann auch als Lichtsensor in der Elektronik eingesetzt werden. Dies zeigen Forscher der Universität Linköping, die eine Art Sensor entwickelt haben, der zirkular polarisiertes rotes Licht erkennen kann. Ihre in Nature Photonics veröffentlichte Studie ebnet den Weg für zuverlässigere selbstfahrende Fahrzeuge und andere Anwendungen, bei denen Nachtsicht wichtig ist.

Einige Käfer mit glänzenden Flügeln, Glühwürmchenlarven und bunte Fangschreckenkrebse reflektieren eine bestimmte Art von Licht, das als zirkular polarisiertes Licht bezeichnet wird. Dies ist auf mikroskopische Strukturen in ihrer Schale zurückzuführen, die die elektromagnetischen Lichtwellen auf besondere Weise reflektieren.

Zirkularpolarisiertes Licht findet auch in der Technik Verwendung, z. B. in der Satellitenkommunikation, der Bio-Bildgebung und anderen Sensortechnologien. Denn zirkular polarisiertes Licht trägt eine große Menge an Informationen in sich, da sich das elektromagnetische Feld um den Lichtstrahl spiralförmig entweder nach rechts oder nach links dreht.

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Das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts

Um zirkular polarisiertes Licht erkennen zu können, braucht man ein Material, das erkennen kann, in welche Richtung die Spirale gedreht ist. Derzeit gibt es Materialien, die zirkular polarisiertes Licht fast im gesamten sichtbaren Lichtspektrum erkennen und dekodieren können, mit Ausnahme des Nahinfrarotbereichs. Forscher der Universität Linköping haben nun ein Material entwickelt, das normalerweise für organische Solarzellen verwendet wird, um diese besonderen Lichtstrahlen einzufangen.

"Die Konstruktion hochwertiger Sensoren, die zirkular polarisierendes Licht im nahen Infrarotspektrum erkennen können, war lange Zeit eine Herausforderung. Aber dank der Weiterentwicklung eines Materials, das normalerweise in Solarzellen verwendet wird, können wir nun zirkular polarisiertes Licht im gesamten sichtbaren Lichtspektrum erfassen", sagt Feng Gao, Professor im Fachbereich Physik, Chemie und Biologie (IFM) der Universität Linköping.

Diese Entdeckung ebnet den Weg für technische Lösungen, bei denen Nachtsicht lebenswichtig ist, wie zum Beispiel bei selbstfahrenden Autos. Die Tatsache, dass das Material leicht ist, und der einfache Herstellungsprozess machen es für den Einsatz in kleinen und billigen Sensoren geeignet.

Verschiedene Materialien untersuchen

Das Solarzellenmaterial besteht aus Polymeren (langen Kohlenhydratketten) und kann eine kugelförmige Molekularstruktur haben, die als Fulleren bekannt ist, oder eine andere Struktur aufweisen, die dann als Nicht-Fulleren bezeichnet wird. Das in der aktuellen Studie verwendete Material ist ein Nicht-Fulleren, was sich bei Solarzellen und anderen Anwendungen wie Lichtsensoren als Vorteil erwiesen hat.

Die Fähigkeit dieses Materials, zirkular polarisierendes Licht zu erkennen, ist auf seine Chiralität zurückzuführen, d. h. auf die Art und Weise, wie die Moleküle mit dem Licht wechselwirken. Chiralität in Molekülen lässt sich am einfachsten mit einem Paar Hände erklären. Die rechte und die linke Hand sind gleich gebaut, aber spiegelbildlich zueinander und haben daher etwas unterschiedliche Funktionen. Dank der Chiralität können verschiedene Moleküle spüren, ob sich die elektromagnetische Strahlung nach rechts oder nach links dreht.

"Der nächste Schritt ist, diese Versuche auf verschiedene Materialien auszuweiten und zu untersuchen, wie Moleküle und Licht in ihnen interagieren. Auf diese Weise hoffen wir, die Effektivität steigern zu können", sagt Li Wan, Postdoc am IFM.

Rui Zhang, ebenfalls Postdoktorand am IFM, fügt hinzu: "Die Kontrolle der Packung zwischen den Molekülen könnte sehr wichtig sein."

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Originalveröffentlichung

Li Wan, Rui Zhang, Eunkyung Cho, Hongxiang Li, Veaceslav Coropceanu, Jean-Luc Brédas, Feng Gao; "Sensitive near-infrared circularly polarized light detection via non-fullerene acceptor blends"; Nature Photonics, Volume 17, 2023-6-8

https://www.chemie.de/news/1181681/solarzellenmaterial-kann-selbstfahrenden-autos-bei-dunkelheit-helfen.html