2018年1月25
虽然有机太阳能电池有一个新兴市场——它们由比典型太阳能电池板更丰富、更便宜、更环保的材料组成——但它们将阳光转化为电能的效率也往往低于标准太阳能电池。亚博网站下载
在这张图中，一个光学激发的自旋单态(红色特征的电子-空穴对)分裂成一对自旋三态(蓝色)。单个的三元组有相等的质心动量-它们的行为就像沿着晶体向相反方向移动的波。灰色和白色的球体分别代表碳原子和氢原子。(图片来源:Florian Brown-Altvater/Berkeley Lab)
最近，能源材料激发态现象计算研究中心(C2SEPEM)成员的科学家，这是一个新的能源材料相关的科学中心，位于能源部亚博网站下载亚博老虎机网登录劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)，成功地解决了一个可能导致效率提高的谜团。
他们强调了一种高效和超快过程的来源，这种过程可以从有机晶体中的一个光粒子中产生若干电荷载体，这被认为是这种非常流行的太阳能电池的组成部分。
这个过程被称为“单线态裂变”，因为它类似于核裂变中的原子核分裂，从一个较重的原子中产生两个较轻的原子——通过快速地将更多的阳光能量转化为电荷而不是仅仅失去它的热量，这证明了大幅提高有机太阳能电池的效率是有希望的。
研究小组发现了一种新的机制，描述了这种反应如何在几十飞秒（万亿分之一秒）内发生，而其他各种竞争效应却能偷走它们的能量。他们的研究发表在12月29日出版的《物理评论快报》上。
“实际上，我们发现了一种新的机制，可以让我们尝试设计更好的材料，”亚博网站下载美国能源部支持的包括伯克利实验室研究人员在内的C2SEPEM中心主任Steven G.Louie说；洛杉矶加利福尼亚大学；得克萨斯大学奥斯汀分校；以及乔治亚理工学院。路易是这项研究的共同负责人，也是伯克利实验室材料科学部门的高级教员科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录
C2SEPEM专注于开发方法、理论和软件，以帮助解释与能源有关的材料的困难过程。亚博网站下载
在分裂过程中，由一个电子（由负电荷组成）及其伙伴空穴（材料原子结构中的一个空电子位置，通过携带正电荷起到粒子的作用）组成的复合粒子迅速转变为两个电子-空穴对。这将使材料中的荷电电势加倍，同时防止热量形式的能量损失。
对于晶体材料中这一过程的基本物理原理，我们仍有很多不了解的地方，我们希望能提供更多的线索。亚博网站下载
我们开发的计算方法具有很强的预测性，我们用它以一种新的方式来理解单线态裂变，例如，这种新的方式可以让我们设计出更有效的采光材料。亚博网站下载
Jeffrey B. Neaton, C2SEPEM的副主任
尼顿还是伯克利实验室能源科学副实验室主任、伯克利实验室分子铸造厂主任和加州大学伯克利分校物理学教授。亚博老虎机网登录
路易考虑了这样一个事实:过去的许多研究都集中在材料内部的几个分子上——在这种情况下，是由碳和氢组成的并五苯的结晶形式——来了解这些奇异的效应。但是，这些方法可能过于简化了驱动单线态裂变的效应。
“有很多理论努力试图了解正在发生的事情，”他说。
在最近的这项研究中，研究小组从对结晶并五苯的整个结构及其对称性的大规模观察开始，即其原子框架中的重复模式。
“这就像试图通过一个分子一个分子地观察海洋，或观察整个海浪来解释海洋，”Felipe H. da Jornada说，他和Sivan Refaely-Abramson共同完成了这项研究。他们都是C2SEPEM的成员，同时也是伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士后研究员。
“我们的方法直接捕捉整个晶体，”无论大小，他指出。
该团队利用了伯克利实验室分子铸造厂部分进行的计算，以及该实验室国家能源研究科学计算中心的超级计算资源，以开发、建模并测试他们关于裂变过程的新理论。
“我们相信这些理论也可以应用于非常不同的材料，”亚博网站下载艾布拉姆森说，“从这个意义上说，理论是非常重要的。”早期的实验忽略了晶体结构在单线态裂变机制中的一些重要线索。
研究得出结论,为了这些电子空穴对,有效的双采样材料会呈现出一种特殊的对称,或重复的组合分子,在其晶体结构——就像一个房间的地板上能够显示大量的简单,重复模式使用相同的瓷砖。
单重态裂变过程的有效性似乎在很大程度上取决于晶体中每个重复图案或“基序”中填充的分子数量，以及这些基序有180度旋转和镜像的特定对称类型。研究人员发现，效率和对称性之间的这种关系使他们能够对完全裂变的效率做出强有力的预测。
不过，如果样品中的电子-空穴对像波一样穿过整个晶体，就像海洋中的波一样，那么这些预测是可能的。这种方法也为他们提供了关于分裂过程的新见解，以及最近开发的对如何像反向传播的波一样发挥作用。
不过，研究人员强调，为了使这些发现更适用于现实世界的应用，还必须制定一些步骤。例如，在太阳能电池中，电子必须完全从与空穴的配对中解放出来，以获取能量并提高太阳能电池板的性能。
Neaton说，理解材料中载流子增加一倍的现象，可以使研究人员更好地解释和设计反向过程，比如一些手机显示器中使用的减少载流子数量的技术(这个过程被称为三重态聚变)。
Louie认为，为这项研究而聚集的多学科团队，作为C2SEPEM中心的一个重要方面，确实在开启新思维以解决一个存在数十年的问题方面发挥了至关重要的作用。“这是我们可以解决的首要重要问题之一，现在它已经结出了果实，”他说。
分子铸造厂和NERSC都是能源部科学用户设施办公室。亚博老虎机网登录
美国能源部的科学办公室支持这项工作。亚博老虎机网登录