单线态激子裂变：更高效太阳能电池和光基技术的突破

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。

基于光的技术的能源生产依赖于材料将光转化为电能的能力，反之亦然。由于一种称为单线态激子裂变（SEF）的过程，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。在这个过程中，一个光量子（光子）的吸收产生两个电子-空穴对，称为激子。由于明显的技术影响，大量的研究工作一直致力于了解SEF是如何真正工作的。

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的研究人员利用一种称为“飞秒电子衍射”的实验技术，成功追踪了由五苯分子构建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。为了能够在五苯（一种只含有小原子和轻原子的材料）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。yabovip2021yabo124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，这是在太阳能装置中获取其电荷的先决条件。“简单地说，我们的图片是，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，为与裂变有关的超快时间尺度的起源提供了可能的解释，从而促进了太阳能到电能的高效转换Ralph Ernstorfer小组的FHI博士后研究员Hélène Seiler说。

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，科学进步．
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0869