單線態裂變 高效太陽能電池的圣杯

從太陽能電池中萌生更多的電能，并對所謂的單線態裂變進行進一步的研究。這是弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學(FAU)的科學家們目前正在進行的一項聯合研究項目的一部分，該項目是與美國西北大學埃文斯頓分校的阿爾貢-西北太陽能研究中心(ANSER)合作進行的。單線態裂變可以大大提高太陽能電池的效率多虧了最新的研究，它離成為可能又近了一步。這些發現發表在科學雜志《化學》上。

全球能源消費迅速增長，而且這種上升趨勢將在將來幾年持續下去。為了在保護環境的同時滿足需求，太陽能、風能、水能和生物能等可再生能源正變得越來越緊要。然而，在德國2017年的總發電量中，惟有約莫6%來自于光伏系統，而我們現有的基于硅的技術正迅速達到潛力的極限。

基于硅的光伏技術正迅速達到潛力的極限(圖片來自以網絡)

利用太陽能電池發電

太陽能電池在將太陽能轉化為電能方面效率極低。他們目前的效率惟有20%到25%。人們呼吁采用新辦法來顯著提高太陽能電池的性能并萌生更多的電能。答案可能在物理化學過程中發現，這將大大提高太陽能電池的效率。FAU和ANSER中心的科學家們一直在探索一種很有前途的辦法，這是他們在新興范疇計劃(EFI)的聯合研究項目的一部分。研究人員研究了所謂的單線態裂變(SF)機制，即一個光子激發兩個電子。

對單線態裂變有更好的知道

單線裂變的原理約莫在五十年前就被發現了，但其顯著提高有機太陽能電池效率的潛力僅在十年前才被美國科學家認可。從那時起，全球的研究人員一直致力于更深入地知道其背后的基本過程和復雜機制。來自ANSER中心的MichaelWasielewski教授，來自FAU的研究人員-物理化學主席DirkGuldi教授，有機化學主席RikTykwinski教授(阿爾伯塔大學，加拿大)，理論固體物理學教授MichaelThoss博士(Albert-Ludwigs-UniversitaumltFreiburg)和計算機化學中心(CCC)的TimClark教授今朝設法澄清一些關于單線態裂變(SF)非常緊要的方面。

對過程的具體知道

當來自陽光的光子遇到并被分子吸收時，分子中的一個電子的能級就會增加。通過吸收光子，有機分子因此轉變為高能量狀態。然后，太陽能電池就可以利用這種暫時儲存在分子中的能量萌生電能。傳統太陽能電池的最佳方案是每個光子萌生一個電子作為電能的載體。然而，如果使用選定化合物的二聚體，來自鄰近分子的兩個電子可以轉換成更高能量的狀態。總的來說，一個光子會萌生兩個受激發的電子，而這兩個電子又可以用來萌生電流。這個過程被稱為單線態裂變(SF)，這在理想的情況下可以大大提高太陽能電池的性能。FAU和ANSER中心的化學家和物理學家更具體地研究了潛在的機理，從而對SF過程有了更廣泛的知道。

單線態裂變（SF）是將一個單重激發態轉換為兩個三重態的過程。

三個緊要發現

作為研究的第一步，科學家們從兩個戊烯單元中加工了一個分子二聚體。這種碳氫化合物被認為是在太陽能電池中使用單線態裂變的一種很有前途的選擇。然后他們將液體暴露在光下，并使用各種光譜辦法來研究分子內的光物理過程。

這讓研究人員對分子內單線態裂變的機理有了三個深遠的認識。首先，他們成功地證明了耦合到更高的電荷轉移狀態對于高效的SF是必不可少的。其次，他們驗證了他們最近創建并發表的單態裂變模型(doi:10.1038/ncomms15171)。第三也是最后一項，他們證明了SF效率分明與兩個戊烯亞基的耦合強度相關。

研究人員的發現聲明了仔細規劃SF材料設計的緊要性。這是利用基于SF的光伏系統發電的一個緊要里程碑。然而，要達到或接近實際使用，依然需要進一步的基礎研究。

（原文來自：每日科學中國新能源網綜合）

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