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(資料圖片)

光伏發(fā)電，即光電轉換是新時代發(fā)展可持續(xù)能源的關鍵技術之一。從馬克斯*普朗克和阿爾伯特*愛因斯坦那個時代開始，我們就已經(jīng)知道光和電都是以微小的、量子化的光子和基本電荷（電子和空穴）的形式出現(xiàn)的。傳統(tǒng)的太陽能電池是將單個光子的能量轉移到材料中的兩個自由電荷。但有一種被稱之為并五苯的材料可以將一個光子轉化為四個電荷，這種過程被稱為激子裂變。該技術的發(fā)現(xiàn)可以幫助提高太陽能電池的轉化效率和性能，從而提高太陽能電池的功率和發(fā)電量，它對太陽能行業(yè)的影響將是深遠而持久的。

馬克斯*普朗克學會弗里茨*哈伯研究所、柏林工業(yè)大學和朱利葉斯-馬克西米利安-維爾茨堡大學的聯(lián)合研究團隊成功通過超快攝影拍攝到激子裂變中光電轉換的圖像，解決了幾十年來關于這一過程機制的爭論。該成果以“Orbital-resolved observation of singlet fission”為題發(fā)表在Nature上（DOI: 10.1038/s41586-023-05814-1）。

有機半導體并五苯中激子裂變過程，每一個都由五個苯環(huán)組成。與通常的兩個自由載流子不同，并五苯吸收光子會產(chǎn)生四個自由載流子，用橙色軌道表示

該研究的主要作者、弗里茨*哈伯研究所馬克斯*普朗克研究小組負責人、柏林工業(yè)大學實驗物理學教授Ralph Ernstorfer表示，當并五苯被光激發(fā)時，材料中的電荷會迅速反應。但被吸收的這個光子是直接激發(fā)兩個電子和空穴，還是最初只激發(fā)一個電子-空穴對，然后與另一個電荷對分享能量，在學術界中這是一個具有高度爭議的問題。

為了解開這個謎團，研究團隊利用時間分辨光譜學（超快光譜學）和角分辨光譜，從而在飛秒（千萬億分之一秒）時間尺度上觀察電子的動力學。這種超快電子攝像機使他們第一次能夠捕捉到轉瞬即逝的被激發(fā)電子的圖像。

該研究的第一作者、弗里茨哈伯研究所的Alexander Neef稱，觀察到載流子的圖像對解釋激子裂變過程十分重要。一個被激發(fā)的電子-空穴對不僅具有特定的能量，而且具有獨特的模式，也就是軌道。為了理解單線態(tài)裂變的過程，確定載流子的軌道形狀以及它們?nèi)绾坞S時間變化是至關重要的。

在得到激發(fā)電子的圖像后，研究團隊首次根據(jù)它們的軌道特征分析了受激載流子的動力學。Alexander Neef補充道，他們現(xiàn)在可以確定，在光子激發(fā)后只有一個電子-空穴對被激發(fā)，并確定了自由電荷載流子加倍過程的機制。

維爾茨堡大學的Jens Pflaum教授稱，解決激子裂變的第一步對于在光伏應用創(chuàng)新中成功實現(xiàn)這類有機半導體至關重要，從而進一步提高當今太陽能電池的轉換效率。該團隊為為這項研究提供了高質量的分子晶體，這樣的進步將產(chǎn)生巨大的影響，因為太陽能和由這些第三代電池產(chǎn)生的太陽能將成為未來的主要能源。