【獨家焦點】激子裂變的突破有望變革太陽能電池技術

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光伏發電，即光電轉換是新時代發展可持續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）的形式出現的。傳統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。該技術的發現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電量，它對太陽能行業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、柏林工業大學和朱利葉斯-馬克西米利安-維爾茨堡大學的聯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組成。與通常的兩個自由載流子不同，并五苯吸收光子會產生四個自由載流子，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、柏林工業大學實驗物理學教授Ralph Ernstorfer表示，當并五苯被光激發時，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兩個電子和空穴，還是最初只激發一個電子-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。為了理解單線態裂變的過程，確定載流子的軌道形狀以及它們如何隨時間變化是至關重要的。

在得到激發電子的圖像后，研究團隊首次根據它們的軌道特征分析了受激載流子的動力學。Alexander Neef補充道，他們現在可以確定，在光子激發后只有一個電子-空穴對被激發，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新中成功實現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，這樣的進步將產生巨大的影響，因為太陽能和由這些第三代電池產生的太陽能將成為未來的主要能源。

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