摘要
光伏技术，即光能转换成电能，是可持续能源的关键技术。自从马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦的时代以来，我们知道光和电都是量子化的，即它们以微小的粒子，称为光子和电子，存在。在太阳能电池中，一个单光子的能量被传递给材料中的一个电子，但不会多于一个电子。只有极少数分子材料，如五环花并苯，才会例外，其中一个光子会转化为两个电子。这种被称为激子裂变的激发倍增可以非常有用，特别是用于提高以硅为基础的主流技术的效率。研究人员现在通过记录光子到电能转换过程的超快速电影，解决了几十年来关于这一过程机制的争议，揭示了这一过程的第一步。
研究人员解决了激子裂变的机制问题，这可能使太阳能电池的太阳能转换效率提高三分之一，从而可能彻底改变光伏技术。
光伏技术是可持续能源的关键技术。自从马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦的时代以来，我们就知道光和电是量子化的，意味着它们以微小的光子和电子包的形式存在。在太阳能电池中，单个光子的能量被传递到材料的单个电子中，但不会超过一个。只有一些分子材料如五环戊二烯是一个例外，其中一个光子可以转换成两个电子。这种激发翻倍，即激子裂变，对于高效率光伏技术非常有用，特别是用于升级基于硅的主流技术。现在，马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所、柏林工业大学和维尔茨堡大学朱利叶斯-马克西米利安大学的研究人员通过记录光子到电能转换过程的超快速电影，解决了数十年来关于该过程机制的争论的第一步。
光伏技术是可持续能源的关键技术，能将光转化为电能。自Max Planck和Albert Einstein的时代起，我们就知道光和电是量子化的，意味着它们是由称为光子和电子的微小粒子组成的。在太阳能电池中，单个光子的能量转移到材料中的单个电子，但不会超过一个电子。只有少数分子材料，如五环芘，才是例外，一个光子可以转化为两个电子。
“当五环芘被光激发时，材料中的电子会迅速反应，”研究的高级作者Ralph Ernstorfer教授解释道。“这是一个争论已久的问题，即光子是直接激发两个电子，还是最初只激发一个电子，然后这个电子将其能量与另一个电子共享。”
为了解开这个谜团，研究人员使用了时间和角度分辨光电子能谱技术，这是一种观察电子在飞秒时间尺度（即百万亿分之一秒）动态的前沿技术。这种超快电子电影摄像机让他们第一次捕捉到了瞬间激发的电子的图像。
“看到这些电子对于解密过程至关重要，”研究的第一作者Alexander Neef来自弗里茨·哈贝研究所。“激发的电子不仅具有特定的能量，而且还以明显的模式运动，这些模式被称为轨道。如果我们能看到它们的轨道形状以及这些形状随时间的变化，就可以更容易地区分电子。”
利用超快电子电影中的图像，研究人员首次根据电子的轨道特性分解了其激发动态。亚历山大·尼夫补充道：“我们现在可以确定只有一个电子直接被激发，并确定了激发翻倍过程的机制。”了解激子裂变的机制对于将其用于光伏应用至关重要。使用激发翻倍材料增强的硅太阳能电池可以将太阳能转换效率提高三分之一。这样的进展可能会产生巨大影响，因为太阳能将成为未来的主要能源来源。今天已经有大量投资流入第三代太阳能电池的建设中。
日期：2023年5月5日
来源：Fritz Haber Institute of the Max Planck Society
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