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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-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gemeinsam mit 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 Transmissionselektronenmikroskop“, sagt Prof. 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/articles/s41467-026-70690-y
Bildmaterial zum Download:
https://www.fau.de/2026/04/news/forschung/elektronen-die-alleskoenner/
Ansprechpartner für Medien:
Prof. Dr. Erdmann Spiecker
Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung
erdmann.spiecker@fau.de
Prof. Dr. Erdmann Spiecker
Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung
erdmann.spiecker@fau.de
https://www.nature.com/articles/s41467-026-70690-y
https://www.fau.de/2026/04/news/forschung/elektronen-die-alleskoenner/ Bildmaterial zum Download
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Environment / ecology, Materials sciences, Oceanology / climate
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research results
German
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