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来自光子的两种能量：明天的超高效太阳能电池

时间：2022-05-01 16:25:04 来源：

通过兴奋时扭曲，一些有机分子的长链可以在分子的相对端中分离三态激子。

在长期有机分子的扭曲和转动中，国家可再生能源实验室（NREL）研究人员已经为明天的超高效太阳能电池找到了一组有希望的材料。

在自然化学中的新论文中，NREL研究人员证明了如何精心设计的分子可以有效地将一个光子赋予的能量分成两个激发状态，并使它们在分子尺寸下保持几微秒 - 很长的时间。这三位作者 - 纳迪亚·克洛维娜，克里斯·昌，贾斯汀约翰逊 - 吸引了他们在化学和计算机建模中的佩戴专业知识，以设计新分子，了解它的功能。

博士后研究员Nadia Korovina合成了新分子。在NREL完成她的博士后工作后，她已成为加州州立大学的教授奇科。

当光子撞击适当的半导体材料时，它产生激发激发的能量状态。在一些有机分子中，激子可以分裂，形成两个三重态激子。该过程的“单线裂变”可能用于从每个吸收光子中提取更多的能量而不是传统的太阳能电池。但是，如果这两个三胞胎互相遇到，它们将重新组合并停止存在。另外，单向分裂成两个稳定三联网的过程通常可能会失去一些热量的能量。

一个理想的有机光伏分子将解决这些问题 - 这意味着它有效地将单线子激发器转换成三胞胎，没有热量损失，并使这些三胞胎分开，因此它们不能重新组合。NREL团队决定自己设计，而不是寻找这样的分子。借鉴以前的研究，团队一般来说，一般类型的有机分子表现出承诺。但是，它们需要确定这些分子应该是有多长，并且可以预防三重态重组。

考虑到这一目标，Korovina合成了一系列不同长度的分子，全部内置的色影光吸收分子结构块。

“最困难的部分是设计分子，其中单身和三重态能量的精细平衡是实现的，”Korovina表示。“经过大约一年的审判和错误后，我们有正确的分子，我们能够学习单线裂变过程的复杂性。”

通过尺寸仔细地将这些分子分类后，该团队发现需要至少三个发色团的链成功分离两个三重态激子。

正是如何突出发色团链是如何隔离两次三胞胎，约翰逊和克洛维娜转向张，这是一个计算科学家，其中一个有生物化学的背景。“我认为建模是帮助回答两个大问题，”张说。“它如何基于基础原则？什么时候它看起来像什么？“

通过创建然后炼制分子如何移动和互动的模型，该团队发现扭曲运动使分子能够隔离三联网所需的特性。分子链通常在不照明时通常是软且柔性的;但是，当它吸收光子时，链条在其中心轴线周围扭曲，最初加强，导致促进两个三重子的形成的形状。在初始过程结束后发生的随后扭转有助于在空间上分离两个三胞胎，延长它们的寿命。

通过结合实验和建模方法，该团队不仅能够开发有希望的能量吸收分子，还可以详细解释其功能。现在，基本机制得到很好的理解，未来的发展和在高效太阳能电池或其他光电化学系统中的类似分子的使用应该更容易。

“像这样的新发现是可能的，没有穿越学科，”约翰逊说，“但结合了像我们所做的专业知识，可以产生更大的影响。”

参考：Nadezhda V. Korovina，Christopher H. Chang和Justin C.Jownson 2020年3月2日，自然化学。
10.1038 / S41557-020-0422-7


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