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激子裂變的突破有望變革太陽能電池技術(shù)

2023-06-26 04:59:41 來源：KE科日光伏網(wǎng) 小 中

(資料圖片)

光伏發(fā)電，即光電轉(zhuǎn)換是新時(shí)代發(fā)展可持續(xù)能源的關(guān)鍵技術(shù)之一。從馬克斯*普朗克和阿爾伯特*愛因斯坦那個(gè)時(shí)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(gè)光子的能量轉(zhuǎn)移到材料中的兩個(gè)自由電荷。但有一種被稱之為并五苯的材料可以將一個(gè)光子轉(zhuǎn)化為四個(gè)電荷，這種過程被稱為激子裂變。該技術(shù)的發(fā)現(xiàn)可以幫助提高太陽能電池的轉(zhuǎn)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(duì)太陽能行業(yè)的影響將是深遠(yuǎn)而持久的。

馬克斯*普朗克學(xué)會(huì)弗里茨*哈伯研究所、柏林工業(yè)大學(xué)和朱利葉斯-馬克西米利安-維爾茨堡大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功通過超快攝影拍攝到激子裂變中光電轉(zhuǎn)換的圖像，解決了幾十年來關(guān)于這一過程機(jī)制的爭(zhēng)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(jī)半導(dǎo)體并五苯中激子裂變過程，每一個(gè)都由五個(gè)苯環(huán)組成。與通常的兩個(gè)自由載流子不同，并五苯吸收光子會(huì)產(chǎn)生四個(gè)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(fù)責(zé)人、柏林工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授Ralph Ernstorfer表示，當(dāng)并五苯被光激發(fā)時(shí)，材料中的電荷會(huì)迅速反應(yīng)。但被吸收的這個(gè)光子是直接激發(fā)兩個(gè)電子和空穴，還是最初只激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)，然后與另一個(gè)電荷對(duì)分享能量，在學(xué)術(shù)界中這是一個(gè)具有高度爭(zhēng)議的問題。

為了解開這個(gè)謎團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)利用時(shí)間分辨光譜學(xué)（超快光譜學(xué)）和角分辨光譜，從而在飛秒（千萬億分之一秒）時(shí)間尺度上觀察電子的動(dòng)力學(xué)。這種超快電子攝像機(jī)使他們第一次能夠捕捉到轉(zhuǎn)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(duì)解釋激子裂變過程十分重要。一個(gè)被激發(fā)的電子-空穴對(duì)不僅具有特定的能量，而且具有獨(dú)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(shí)間變化是至關(guān)重要的。

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

維爾茨堡大學(xué)的Jens Pflaum教授稱，解決激子裂變的第一步對(duì)于在光伏應(yīng)用創(chuàng)新中成功實(shí)現(xiàn)這類有機(jī)半導(dǎo)體至關(guān)重要，從而進(jìn)一步提高當(dāng)今太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。該團(tuán)隊(duì)為為這項(xiàng)研究提供了高質(zhì)量的分子晶體，這樣的進(jìn)步將產(chǎn)生巨大的影響，因?yàn)樘柲芎陀蛇@些第三代電池產(chǎn)生的太陽能將成為未來的主要能源。

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