8. August 2018

Temporeiche Handlung

SwissFEL Grossforschungsanlagen

Wie funktionieren farbige Solarzellen und was steckt hinter den neuen brillanten Handy-Displays? Die ultrakurzen Röntgenpulse am SwissFEL decken die chemischen Reaktionen im Inneren auf und sollen die Geräte noch effizienter und günstiger machen.

Giulia Mancini und Camila Bacellar sitzen in der PSI-Cafeteria und bringen sich gegenseitig auf den neuesten Forschungsstand. Übermorgen fahre ich nach Lausanne und nächste Woche nach Hamburg, erzählt Giulia Mancini. Die Italienerin ist Mitglied einer Forschungsgruppe an der ETH Lausanne (EPFL), aber am PSI stationiert und reist nach Hamburg, um am dortigen europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser mit den Strahlwissenschaftlern über die Experimentiermöglichkeiten zu diskutieren. Wer an diesen Grossforschungsanlagen, von denen es weltweit nur fünf gibt, arbeitet, ist häufiges Reisen gewohnt, so auch die Brasilianerin Camila Bacellar, die ebenfalls dem Lausanner Team angehört.
Die beiden Wissenschaftlerinnen sind aus den USA in die Schweiz umgesiedelt, um bei der Inbetriebnahme des SwissFEL an vorderster Forschungsfront mit dabei zu sein. Der Leiter ihrer Gruppe ist Pionier in der Erforschung molekularer Strukturen in Bewegung. Majed Chergui, Professor an der ETH Lausanne, stationiert immer wieder junge Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus seinem Team am PSI. Giulia Mancini ist begeistert: Ich liebe dieses Projekt hier, sagt sie und Camila Bacellar erzählt voller Enthusiasmus von den ersten Pilotexperimenten, an denen sie mitgearbeitet haben: Es war ein Auf und Ab von Emotionen in kurzer Zeit, erinnert sie sich. Jeder der Beteiligten gab 150 Prozent.

Im ersten Experiment an der Messstation Alvra untersuchte das PSI-Team zusammen mit Forschern aus Bremen und Krakau ein Material, das sich für organische Leuchtdioden, kurz OLED, eignen könnte. OLEDs werden bereits als Displays in neuen Handys genutzt und sorgen für intensive Farben und tiefes Schwarz. Doch die bekannten Materialien sind teuer. Ein billigeres, vielversprechendes OLED-Molekül basiert auf Kupfer und Phosphor. Dabei sorgt ein physikalisches Phänomen, das thermisch aktivierte, verzögerte Fluoreszenz genannt wird, für hohe Lichtausbeute. Am SwissFEL untersuchten die Forschenden, welche Rolle die Phosphoratome beim Fluoreszenzprozess spielen. Das Experiment zeigte, dass die Phosphoratome direkt am Ladungstransport innerhalb des Moleküls beteiligt sind.

Leuchtend grüne Bilder

Das war ein hübscher Prototyp eines Chemieexperiments, sagt Christopher Milne, Strahllinienwissenschaftler an der Messstation Alvra, vor allem auch weil das Material so wunderschön grün leuchtete. Wenn chemische Verbindungen neu entstehen oder aufgebrochen werden, dauert dies nur ein paar hundert Femtosekunden (tausendstel Billionstelsekunden). Die Röntgenblitze des SwissFEL sind nochmals eine Grössenordnung kürzer. Deshalb lassen sich damit Schnappschüsse der einzelnen Reaktionsschritte machen und zu einem Film zusammenfügen, der Einblick in das temporeiche Geschehen gibt. Mit dem SwissFEL können wir alles Mögliche untersuchen, sagt Christopher Milne. Zum Beispiel, was passiert, wenn Licht auf ein Blatt oder eine Solarzelle trifft und die Energie absorbiert und umgewandelt wird.
Bei einem weiteren Experiment geht es um Farbstoffsolarzellen – eine Erfindung, die Michael Grätzel, Professor an der ETH Lausanne, 1992 patentieren liess. Grätzel-Zellen bestehen aus mehreren Schichten. Augenfällig ist der Farbstoff, der das Licht einfängt und dabei Elektronen freisetzt. Darunter steckt eine poröse Schicht aus winzig kleinen Titandioxid-Partikeln, welche die Elektronen weiterleitet. Die Elektronen sind die Ladungsträger, welche den Strom liefern. Wir wollen herausfinden, was in der Grätzel-Zelle in den allerersten Momenten passiert, wenn Licht auf sie fällt – wohin der Strom fliesst oder wo er feststeckt, was man natürlich nicht möchte, sagt Christopher Milne.

Bei den Solarzellen geht es vor allem darum, die Effizienz zu steigern, sagt Giulia Mancini. Sie wird Experimente mit Kobaltoxid durchführen, das sich noch besser für Solarzellen eignen könnte. Camila Bacellar dagegen will mit dem SwissFEL herausfinden, wie sich Moleküle in Lösungen verhalten. Dies ist Grundlagenforschung, sagt die Wissenschaftlerin. Ihre Proben bestehen aus in Alkohol gelöstem Iod, das für uns lebenswichtig ist. Während der ersten Pilotexperimente haben wir Daten analysiert, programmiert, eine Probe präpariert oder bei einer anderen Gruppe Informationen eingeholt, um ein Problem zu lösen – ein echtes Multitasking, erzählt Giulia Mancini. So wie man sich auf einem Filmset um vieles kümmern muss, Maske, Kostüm, Requisite, Ausstattung, Ton, Aufnahmeleitung. Nun schreiben die Wissenschaftlerinnen an den Drehbüchern für ihre eigenen Forschungsfilme. Langweilig wird es in diesem Job nie, meinen die beiden lachend.

Text: Barbara Vonarburg


5232 — Das Magazin des Paul Scherrer InstitutsAusgabe 2/2018

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