科学家揭开单重态裂变太阳能电池中的能量缺失之谜

据外媒报道，通过利用一种被称为单重态裂变的现象，可以提高太阳能电池的效率。然而，到目前为止，反应过程中无法解释的能量损失一直是一个主要问题。瑞典林雪平大学的科学家领导的研究小组发现了单重态裂变过程中发生的情况以及损失的能量去向。该成果已发表在《细胞报告物理科学》杂志上。

太阳能是最重要的无化石、环保的可持续电力来源之一。目前使用的硅基太阳能电池最多只能利用太阳光中约33%的能量并将其转化为电能。这是因为太阳光束中的光包或光子的能量太低，无法被太阳能电池吸收，或者太高，因此部分能量被耗散为废热。这个最大理论效率被称为肖克利-奎伊瑟极限。在实践中，现代太阳能电池的效率为20-25%。

然而，在分子光物理学中，一种被称为单重态裂变的现象可以使具有较高能量的光子得到利用，并在没有热损失的情况下转化为电能。近年来，单重态裂变引起了科学家们越来越多的关注，开发最佳材料的活动正在紧张进行。然而，到目前为止，单重态裂变过程中无法解释的能量损失使设计这种材料变得困难。研究人员一直无法就这些能量损失的来源达成一致。

现在，林雪平大学的研究人员与剑桥、牛津、圣塞瓦斯蒂安和巴塞罗那的同事一起发现了单重态裂变过程中的能量去向。

“单重态裂变在不到一纳秒的时间内发生，这使得测量它变得非常困难。我们的发现使我们能够打开黑匣子，看到反应过程中能量的去向。通过这种方式，我们最终将能够优化材料，以提高太阳能电池的效率。”林雪平大学物理、化学和生物系高级讲师Yuttapoom Puttisong说。

部分能量以中间亮态的形式消失，这是实现高效单重态裂变必须解决的问题。发现能量的去向是实现太阳能电池效率显著提高（从目前的33%提高到40%以上）道路上的重要一步。

研究人员使用了一种精细的磁光瞬态方法来确定能量损失的位置。这种技术具有独特的优势，它可以在纳秒的时间尺度上考察单重态裂变反应的“指纹”。然而，这种新技术可以用于研究更广泛的材料库中的单重态裂变。该研究已发表在《细胞报告物理科学》杂志上。

“实际的单重态裂变过程发生在晶体材料中。如果我们能够优化这种材料，尽可能多地保留单重态裂变的能量，我们将大大接近实际应用。此外，这种单重态裂变材料是可以溶液加工的，这使得它的制造成本很低，适合与现有的太阳能电池技术相结合。”林雪平大学物理、化学和生物系的博士生、该研究的第一作者黄玉清说。