一个光子是如何变成四个载流子的

在有机半导体并五苯中激子分裂的说明，每个并五苯由五个苯环组成。与通常的两个自由载流子不同，在并五苯中吸收一个光子会产生四个自由载流子，用橙色轨道表示。来源:柏林工业大学
光伏是将光转化为电能的技术，是可持续能源的关键技术。自从马克斯·普朗克(Max Planck)和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的时代以来，我们知道光和电都是由微小的量子化的光子和基本电荷构成的，后者由电子和空穴表示。
一些材料将光子转换成比预期更多的自由电荷。使用超快薄膜，研究人员现在已经能够得到这一过程的图片。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

通过激子分裂获得更好的太阳能电池

在通常的太阳能电池中，单个光子的能量被转移到材料中的两个自由电荷上，但仅此而已。然而，一些分子材料，如并五苯是一个例外，而是显示一个光子转换为四个电荷。这种激发加倍，被称为激子裂变，对于高效光伏发电非常有用，特别是用于升级占主导地位的硅基技术。
马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所、柏林工业大学和Julius-Maximilians-Universität Würzburg的一组研究人员现在通过记录光子到电转换过程的超快电影，破译了这一过程的第一步，解决了几十年来关于这一过程机制的争论。
该研究的资深作者Ralph Ernstorfer教授解释说:“当并五苯被光激发时，材料中的电荷会迅速反应。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，然后与另一个电荷对分享能量，这是一个公开且极具争议的问题。”恩斯托弗是弗里茨哈伯研究所马克斯·普朗克研究小组的负责人，也是柏林工业大学实验物理学教授。

十亿分之一秒的快照

为了解开这个谜团，研究人员使用了时间和角度分辨的光电发射光谱，这是一种尖端技术，可以在飞秒时间尺度上观察电子的动态，飞秒时间尺度是百万分之一秒的十亿分之一。这种超快电子电影摄像机使他们第一次捕捉到稍纵即逝的兴奋电子的图像。
该研究的第一作者、弗里茨哈伯研究所(Fritz Haber Institute)的亚历山大·尼夫(Alexander Neef)说:“看到这些载流子对对破译这个过程至关重要。”“一个被激发的电子-空穴对不仅具有特定的能量，而且还适应不同的模式，这被称为轨道。为了理解单线态裂变的过程，确定载流子的轨道形状以及这些轨道如何随时间变化是至关重要的。”

对有机半导体的使用至关重要

利用手头的超快电子电影图像，研究人员首次根据激发态载流子的轨道特征分解了它们的动力学。Alexander Neef补充说:“我们现在可以肯定地说，在光子激发后，只有一个电子-空穴对立即被激发，并确定了自由载流子倍增过程的机制。”
“解决激子裂变的这一初始步骤对于在创新光伏应用中成功实现这类有机半导体至关重要，因此，进一步提高当今太阳能电池的转换效率，”Jens Pflaum教授说，他在Würzburg大学的团队为这项研究提供了高质量的分子晶体。这一进步将产生巨大的影响，因为太阳能和由这些第三代电池产生的太阳能将成为未来的主要能源。
更多信息：亚历山大·尼夫等人，单线态裂变的轨道分辨观测，《自然》（2023 年）。DOI： 10.1038/s41586-023-05814-1