3D-Elektronenbeugung — die fehlende Scheibe, die die nanoskalige Analyse organischer Solarzellen im TEM vervollständigt

Warum ein Blick ins Innere von Solarzellen wichtig ist

Solarzellen auf Kohlenstoffbasis (organische Materialien) versprechen leichte, flexible und druckbare Geräte, doch ihre Leistung hängt empfindlich davon ab, wie sich Moleküle auf Nanometerskala anordnen. Bisher mussten Forscher zwischen Methoden wählen, die Struktur über große Flächen mitteln, und solchen, die in winzige Bereiche hineinzoomen, wodurch es schwerfiel, ein vollständiges Bild zu erhalten. Diese Arbeit stellt einen Weg vor, diese Lücke zu schließen: eine dreidimensionale Form der Elektronenbeugung, die im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchgeführt werden kann und detailreiche Bilder der inneren Landschaft der Solarzelle mit präzisen Strukturmessungen verknüpft.

Mehr sehen als verschwommene Mittelwerte

Die aktuell häufig verwendeten Werkzeuge zur Untersuchung organischer Solarzellen, etwa grazing-incidence wide-angle X‑ray scattering (GIWAXS), arbeiten, indem Röntgenstrahlen in flachem Einfallswinkel auf Dünnfilme gerichtet werden und das resultierende Beugungsmuster ausgewertet wird. GIWAXS ist leistungsfähig: Es liefert Angaben dazu, wie dicht Moleküle gepackt sind, wie groß geordnete Bereiche sind und wie gut sie ausgerichtet sind, wobei über Flächen in der Größenordnung einer Stecknadel gemittelt wird. Direkte Aussagen über die realräumlichen Formen von Domänen, lokale Unterschiede in der Orientierung oder chemische Variationen innerhalb des Films sind damit jedoch nicht möglich. Zudem fehlen Informationen über rein in‑Ebene Molekularanordnungen, weil die Messgeometrie nicht exakt entlang der Filmoberfläche schauen kann.

Die fehlende Scheibe durch Elektronen ergänzen

Die Autoren zeigen, dass eine komplementäre Methode — die dreidimensionale Elektronenbeugung (3D ED) — im Wesentlichen dieselben Strukturparameter wie GIWAXS liefern kann und dabei die fehlenden Informationen ergänzt. Im TEM wird ein dünner, frei stehender Solarfilm in den Elektronenstrahl gebracht und über viele Winkel gekippt, wobei bei jedem Schritt ein Beugungsmuster aufgezeichnet wird. Diese Muster werden zu einer dreidimensionalen Karte rekonstruiert, die zeigt, wie der Film Elektronen streut. An einem gut untersuchten Modellblend aus einem kleinmolekularen Donor und einem Fulleren-Akzeptor (DRCN5T:PC71BM) demonstriert das Team, dass 3D ED Schlüsselgrößen wie Gitterabstände, die effektive Größe geordneter Bereiche und die Verteilung der Molekülorientierungen mit bemerkenswerter Übereinstimmung zu Labor- und Synchrotron-GIWAXS reproduziert.

Struktur mit Funktion verknüpfen, Nanometer für Nanometer

Weil 3D ED im TEM stattfindet, lässt es sich nahtlos mit Bildgebung und Spektroskopie kombinieren. Die Autoren nutzen das, um ein korrelatives Bild organischer Solarzellen zu erstellen, das molekulare Packung mit sichtbaren Domänenformen und Zusammensetzung verbindet. Im DRCN5T:PC71BM-Blend zeigen Elementkarten „blattförmige“ donorreiche Regionen, eingebettet in die Akzeptormatrix. Die Beugungsbildgebung zeigt, dass innerhalb dieser Blätter viele kleinere Kristallitite leicht gegeneinander fehlorientiert sind und ein Mosaik bilden. Die Orientierung der dicht gestapelten Molekülebenen ändert sich von Region zu Region: Einige Domänen sind „edge-on“ und begünstigen den Ladungstransport entlang der Filmebene, andere sind „face-on“ und fördern den vertikalen Transport. Durch die Rekonstruktion des 3D-Beugungsvolumens quantifiziert das Team dieses Gemisch aus Orientierungen (Textur) und die Streuung um die bevorzugte Richtung (Mosaizität) und setzt diese Metriken direkt mit der nanoskaligen Morphologie in Beziehung.

Strukturentwicklung während der Verarbeitung beobachten

Um die Anwendbarkeit der Methode weiter zu prüfen, untersuchen die Forscher einen klassischen polymerbasierten Blend, P3HT:PC71BM, und vergleichen Filme vor und nach einem kurzen thermischen Annealing. 3D ED zeigt, dass das Erhitzen bestimmte Beugungsringe, die mit lamellarer Stapelung des Polymers verknüpft sind, schärft — ein Hinweis auf größere und stärker geordnete Kristallite, insbesondere in bestimmten Richtungen. Zusätzliche Beugungsbildgebung bestätigt, dass Domänen länger und die Phasentrennung gröber werden, Trends, die in diesem System bekanntermaßen die Geräteleistung verbessern. Selbst bei diesem empfindlicheren Material erlaubt sorgfältige Kontrolle von Elektronendosis und Energie-Filterung, dass 3D ED die strukturelle Entwicklung verfolgt, ohne die zugrunde liegende Ordnung zu zerstören, was seine Praktikabilität für eine breite Palette organischer und hybrider Dünnfilme unterstreicht.

Was das für zukünftige Solarzellen bedeutet

Zusammengefasst zeigt die Arbeit, dass 3D-Elektronenbeugung als die „fehlende Scheibe“ in der Strukturanalyse organischer Solarzellen fungieren kann. Sie liefert quantitative Informationen, die mit GIWAXS vergleichbar sind, erweitert diese jedoch um echte dreidimensionale Orientierungsdaten und direkte Registrierung mit realräumlichen Bildern und chemischen Karten in einem einzigen Instrument. Anstatt Röntgenmethoden zu ersetzen, ergänzt 3D ED sie, indem es eine hohe Empfindlichkeit für in‑Ebene Ordnung bietet und die Möglichkeit, mikrometergroße Bereiche detailliert zu untersuchen. Mit Verbesserungen bei Detektortechnik und automatisierten Arbeitsabläufen sollte dieser Ansatz Forschern helfen, systematisch Verarbeitungsbedingungen, nanoskalige Struktur und Geräteleistung zu verknüpfen — und so das Design effizienterer und stabilerer Solarzellen der nächsten Generation zu beschleunigen.

Zitation: Kraus, I., Wu, M., Rechberger, S. et al. 3D electron diffraction—the missing slice completing nanoscale analysis of organic solar cells in TEM. Nat Commun 17, 3159 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70690-y

Schlüsselwörter: organische Solarzellen, 3D-Elektronenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie, GIWAXS, nanostrukturierte Dünnfilme