一个光子如何变成四个电荷载体
发布时间：2023-04-17 08:00:00 阅读数： 289
有机半导体戊烯中激子分裂的图示，戊烯由五个苯环组成。戊烯中吸收一个光子产生四个自由电荷载流子，而不是通常的两个自由电荷载流子，用橙色轨道表示。资料来源：柏林工业大学
光伏技术，即把光转化为电，是可持续能源的一项关键技术。自从马克斯-普朗克和阿尔伯特-爱因斯坦的时代以来，我们知道光和电都是以微小的、量化的数据包形式出现，称为光子和基本电荷，后者由电子和空穴代表。
一些材料将光子转化为比预期更多的自由电荷。使用一个超快的薄膜，研究人员现在已经能够得到这个过程的图片。他们的发现已经发表在《自然》杂志上。
更好的太阳能电池得益于激子分裂
在通常的太阳能电池中，一个光子的能量被转移到材料中的两个自由电荷，但不会超过这个范围。然而，少数分子材料，如戊烯是一个例外，显示出将一个光子转化为四个电荷，而不是。这种被称为激子裂变的激发倍增，对于高效光伏来说可能是非常有用的，特别是对于升级主流的硅基技术来说。
马克斯-普朗克协会弗里茨-哈伯研究所、柏林工业大学和维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学的一个研究小组现在通过记录光子-电力转换过程的超高速影片，破译了这一过程的第一步，解决了几十年来关于这一过程机制的争论。
"该研究的资深作者Ralph Ernstorfer教授解释说："当戊烯被光激发时，材料中的电荷迅速反应。"吸收的光子是直接激发两个电子和空穴，还是最初只有一个电子-空穴对，随后与另一个电荷对分享其能量，这是一个公开的、有很大争议的问题"。恩斯托弗是弗里茨-哈伯研究所的马克斯-普朗克研究小组的负责人，也是柏林工业大学的实验物理学教授。
十亿分之一秒的快照
为了揭开这个谜团，研究人员使用了时间和角度分辨的光发射光谱学，这是一种在飞秒时间尺度上观察电子动态的尖端技术，也就是百万分之一秒的十亿分之一。这种超快的电子电影摄像机使他们能够首次捕捉到转瞬即逝的激发电子的图像。
"来自弗里茨-哈伯研究所的亚历山大-尼夫是这项研究的第一作者，他说："看到这些电荷载流子对对于破译这一过程至关重要。"一个受激电子-空穴对不仅有特定的能量，而且还适应不同的模式，这些模式被称为轨道。为了理解单子裂变的过程，确定电荷载体的轨道形状以及这些轨道如何随时间变化是非常重要的。
对有机半导体的使用至关重要
有了来自超快电子电影的图像，研究人员首次根据其轨道特征分解了受激电荷载体的动态。"我们现在可以肯定地说，只有一个电子-空穴对在光子激发后立即被激发，并确定了自由电荷载流子加倍过程的机制，"Alexander Neef补充说。
Jens Pflaum教授说："解决激子裂变的这一初始步骤对于在创新的光伏应用中成功实现这类有机半导体，从而进一步提高当今太阳能电池的转换效率是至关重要的，"他在维尔茨堡大学的研究小组为这项研究提供了高质量的分子晶体。这种进步将产生巨大的影响，因为太阳能和由这些第三代电池产生的太阳能将成为未来的主导能源。
参考资料
Alexander Neef et al, Orbital-resolved observation of singlet fission, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05814-1
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