单态激子裂变:更高效太阳能电池和光基技术的突破

单态激子裂变过程

在单态激子裂变过程中,一个单态激子(蓝色)在吸收光的基础上被创造出来,然后在超快的时间尺度上分裂成两个三重激子(红色)。该团队跟踪了并五苯单晶体中伴随这一过程的实时分子运动。出处:©Jörg Harms, MPSD

来自柏林弗里茨哈伯研究所(FHI)、MPSD和Julius-Maximilians-Universität Würzburg的研究人员为开发更高效的太阳能电池和其他基于光的技术的关键过程提供了重要的新见解,该过程被称为单态激子裂变。他们已经设法追踪一种有希望的材料分子,由并五苯分子组成的单晶体,如何在单线态裂变发生时实时运动,这表明分子的集体运动可能是与这一过程相关的快速时间尺度的起源。

在以光为基础的技术中,能源的产生依赖于材料将光转化为电能的能力,反之亦然。某些有机分子固体具有显著提高太阳能到电能转换效率的特殊能力,这要归功于一种被称为单态激子裂变(SEF)的过程。在这个过程中,两个电子空穴对被称为激子,由一个光量子(一个光子)的吸收产生。由于明显的技术影响,大量的研究工作都致力于了解SEF是如何工作的。

SEF过程的效率和速度取决于与分子在材料中排列方式相关的微妙细节。然而,尽管对这一主题进行了数百项研究,却没有办法实时观察分子的确切运动,以促进SEF事件的发生。理解这一点对于优化SEF材料和进一步提高其效率至关重要。

发表在科学的进步最近,来自FHI、MPSD和Julius-Maximilians-Universität Würzburg的研究人员使用一种名为“飞秒电子衍射”的实验技术,设法跟踪了由并五苯分子构成的晶体材料中的分子在SEF过程中如何移动。这种技术可以在SEF过程展开时实时捕获原子结构的快照。为了能够在并五苯(一种只含有轻原子的物质)中捕捉这些快照,测量必须达到异常的稳定性和分辨率。

“我们已经将这样的实验发展到可以处理这些材料的地步,这对化学、生物学和材料科学来说是非常令人兴奋的。国外欧洲杯足球彩票俄罗斯比利时赔率这些测量结果揭示了在并苯中伴随SEF过程的真正的分子集体运动。具体来说,发现了并五苯分子的超快离域振荡,这有助于长距离的高效能量和电荷转移。”MPSD的Heinrich Schwoerer说。

多亏了最先进的理论,该团队能够揭示参与初始激发事件的分子运动,以及这些运动如何触发涉及许多晶体分子的更复杂的分子运动。“我们的理论分析可以解决非常复杂的分子运动。我们可以确定一个主要涉及分子滑动彼此,这只能通过耦合触发其他更多本地化的电子激发态分子运动,那么,反过来,一对这个关键运动还在实验中,观察到“马里亚纳从MPSD罗西说。

参与该项目的团队观察到的这些集体原子运动很可能是解释SEF过程中产生的两个激子如何分离的关键,这是在太阳能设备中收集它们电荷的先决条件。“简单地说,我们的图像是,这些分子运动有效地中和了两个激子产生后保持在一起的力,为与裂变相关的超快时间尺度的起源提供了一个可能的解释,从而促进了太阳能转化为电能的高效率。”

Würzburg大学实验物理六主席Sebastian Hammer表示,该团队的工作将产生更广泛的影响:“除了为SEF过程提供重要的见解外,这项工作还表明,揭示更复杂、功能更强的有机材料中的原子运动是可能的,这些材料是微妙的,由轻原子组成。”

引文:“并五苯单晶体中单态激子裂变的核动力学”,Hélène Seiler, Marcin Krynski, Daniela Zahn, Sebastian Hammer, Yoav William Windsor, Thomas Vasileiadis, Jens Pflaum, Ralph Ernstorfer, Mariana Rossi和Heinrich Schwoerer, 2021年6月25日,科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0869

1评论单态激子裂变:更高效太阳能电池和光基技术的突破

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