超快薄膜揭示了太阳能电池中的激子裂变：一个光子如何变成四个载流子

一些材料将光子转化为比预期更多的自由电荷。使用超快胶片，研究人员现在已经能够获得这一过程的照片。

马普学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研究人员使用超快薄膜捕捉激子裂变过程，这可以显着提高太阳能电池的效率。通过使用时间和角度分辨光电子能谱，他们观察了飞秒时间尺度上的电子动力学，并解决了关于并五苯等材料中一个光子转化为四个电荷背后机制的长期争论。这一发现对于有机半导体在光伏发电中的使用至关重要，并可能导致太阳能发电取得重大进展。

光伏，将光能转化为电能，是可持续能源的关键技术。自马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦时代以来，我们就知道光和电都以微小的量子化包形式出现，称为光子和基本电荷，后者以电子和空穴为代表。

激子分裂带来更好的太阳能电池

在普通的太阳能电池中，单个光子的能量被转移到材料中的两个自由电荷，但仅此而已。然而，并五苯等一些分子材料是个例外，它们显示一个光子转化为四个电荷。这种被称为激子裂变的激发倍增对高效光伏非常有用，特别是升级占主导地位的硅基技术。

马普学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组研究人员现在通过录制光子到电的超快电影破译了这一过程的第一步转换过程，解决了关于过程机制的数十年争论。

“当并五苯被光激发时，材料中的电荷会迅速反应，”该研究的资深作者 Ralph Ernstorfer 教授解释说。“一个被吸收的光子是直接激发两个电子和空穴，还是最初只激发一个电子-空穴对，随后与另一个电荷对共享能量，这是一个开放且极具争议的问题。” Ernstorfer 是 Fritz Haber 研究所马克斯·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光电子能谱，这是一种在飞秒时间尺度(即十亿分之一秒)内观察电子动力学的尖端技术。这种超快电子电影摄影机使他们能够首次捕捉到转瞬即逝的激发电子的图像。

“看到这些载流子对对于破译这个过程至关重要，”弗里茨哈伯研究所的亚历山大·尼夫说，他是该研究的第一作者。“激发的电子空穴对不仅具有特定的能量，而且还采用不同的模式，称为轨道。要了解单线态裂变的过程，必须确定电荷载流子的轨道形状以及它们如何随时间变化。”