二合一裂變旨在提高太陽(yáng)能電池效率

當(dāng)有機(jī)分子吸收一個(gè)光子，然后將該光能一分為二時(shí)，就會(huì)發(fā)生單線(xiàn)態(tài)裂變——這種加倍效應(yīng)有可能提高太陽(yáng)能電池的光收集效率，前提是產(chǎn)生的電子能夠被正確收集。

康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用超快激光光譜仔細(xì)研究了裂變過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵中間狀態(tài)，即三重態(tài)對(duì)態(tài)，并發(fā)現(xiàn)在某些分子中，可以通過(guò)一種極其簡(jiǎn)單的技術(shù)直接生成中間態(tài)——實(shí)際上就是沒(méi)有單重態(tài)的單重態(tài)裂變。

領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)的藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)助理教授AndrewMusser表示：“這種一舉兩得的做法是讓太陽(yáng)能電池性能大大提升的一種非常有意義的方法，但是自20世紀(jì)60年代以來(lái)，人們一直認(rèn)為必須先激發(fā)一個(gè)電子，然后慢慢地產(chǎn)生兩個(gè)電子。”

“我們可以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中直接看到，不需要從單線(xiàn)態(tài)開(kāi)始，可以直接激發(fā)這兩個(gè)電子。”

該團(tuán)隊(duì)的論文《糾纏三重態(tài)對(duì)的相干光激發(fā)》于6月19日發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上。該論文的共同主要作者是博士后研究員JunoKim和博士生DavidBain。

Musser的研究小組研究有機(jī)材料中光與物質(zhì)之間的相互作用，目的是改善其性能。其中一種材料是五苯并苯，這是一種由五個(gè)相連的苯環(huán)組成的碳?xì)浠衔铩?/p>

幾年前，該團(tuán)隊(duì)的博士后研究員、現(xiàn)為韓國(guó)首爾延世大學(xué)教授的WoojaeKim注意到他們的一個(gè)分子樣本中出現(xiàn)了無(wú)法解釋的異常。在其吸收光譜中，一個(gè)本不應(yīng)該吸收光子的區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)微弱的尖峰。

“這種小細(xì)節(jié)通常很容易被忽視，但我很幸運(yùn)能有像Woojae這樣一絲不茍的科學(xué)家來(lái)做這項(xiàng)工作，”Musser說(shuō)。“他意識(shí)到有些已發(fā)表的論文中提到了這一特征，但他們?cè)谄渌牧现袇s完全忽略了它。

“它處于一個(gè)可疑區(qū)域，我們開(kāi)始認(rèn)為它與我們感興趣的三重態(tài)對(duì)狀態(tài)有關(guān)，即單重態(tài)裂變。我們一直認(rèn)為它是‘黑暗的’，無(wú)法吸收光。但也許它畢竟不是那么黑暗。”

研究人員組裝了不同的并五苯衍生物，并對(duì)其進(jìn)行了各種超快激光光譜技術(shù)研究，以查看是否能夠?yàn)檫@種異常現(xiàn)象建立一個(gè)普遍的原理，最終將其歸因于三重態(tài)對(duì)狀態(tài)。

“為了進(jìn)行這些測(cè)量，我們必須設(shè)計(jì)和建造自己的裝置，實(shí)際上是一臺(tái)超高速攝像機(jī)，”貝恩說(shuō)。“為了能夠看到光子被吸收時(shí)發(fā)生的非?？焖俚倪^(guò)程，我必須學(xué)會(huì)產(chǎn)生短于10飛秒的光脈沖。但這樣我們就可以清楚地檢測(cè)到三重態(tài)對(duì)狀態(tài)的直接產(chǎn)生時(shí)間，并最終在幾種不同的分子中對(duì)這種行為進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。”

通常，當(dāng)光子被分子吸收時(shí)，單個(gè)電子會(huì)被激發(fā)。然而，當(dāng)直接產(chǎn)生三重態(tài)時(shí)，兩個(gè)電子會(huì)以相同的方式同時(shí)被激發(fā)。通過(guò)觀察哪些分子產(chǎn)生了三重態(tài)，哪些沒(méi)有，研究人員能夠提取出一些使這種現(xiàn)象發(fā)生的設(shè)計(jì)規(guī)則。

他們確定，其中的“神奇”因素就是所謂的對(duì)稱(chēng)電荷共振態(tài)，這是量子力學(xué)的一個(gè)特征，在這種狀態(tài)下，交換電子的分子開(kāi)始更強(qiáng)烈地相互作用。

“這是材料光物理特性的一個(gè)絕佳例子，它超出了我們對(duì)經(jīng)典力學(xué)(基本上是單電子圖像)的理解，”JunoKim說(shuō)。“當(dāng)我們將這種神奇成分的量子力學(xué)概率考慮進(jìn)去時(shí)，完全出乎意料的新行為就會(huì)出現(xiàn)。”

現(xiàn)在，研究人員能夠設(shè)計(jì)出直接從基態(tài)光激發(fā)中間三重態(tài)對(duì)的效果。其好處不僅限于太陽(yáng)能電池。由于電子的自旋態(tài)是糾纏的，單重態(tài)裂變可能被用作量子信息科學(xué)和量子計(jì)算的平臺(tái)。

“這項(xiàng)研究的奇妙之處在于，我們發(fā)現(xiàn)了一種方法，通過(guò)分子設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)避限制我們?cè)诓牧瞎馕锢韺W(xué)領(lǐng)域所做事情的選擇規(guī)則，”穆瑟說(shuō)。

“這讓我們能夠?qū)⑦@些舊材料和眾所周知的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌膽?yīng)用，因?yàn)槲覀儾⒉豢偸切枰裱?guī)則。它們更像是指導(dǎo)方針。”

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