一个光子如何变成四个电荷载流子

光伏，即光到电的转换，是可持续能源的关键技术。自马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦时代以来，我们知道光和电都以微小的量子化包形式出现，称为光子和基本电荷，后者由电子和空穴表示。

一些材料将光子转化为比预期更多的自由电荷。使用超快胶片，研究人员现在已经能够获得这一过程的图片。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中，但不超过此。然而，像五苯这样的一些分子材料是一个例外，它显示一个光子转化为四个电荷。这种激发倍增，称为激子裂变，对于高效光伏发电非常有用，特别是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、柏林工业大学和维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安-维尔茨堡大学的一组研究人员现在已经破译了这一过程的第一步，他们录制了光子到电转换过程的超快电影，解决了几十年来关于该过程机制的争论。

“当五苯被光激发时，材料中的电荷会迅速反应，”该研究的资深作者Ralph Ernstorfer教授解释说。“这是一个开放且极具争议的问题，吸收的光子是直接激发两个电子和空穴，还是最初只是一个电子 - 空穴对，随后与另一个电荷对共享其能量。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，也是柏林工业大学的实验物理学教授。

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发射光谱法，这是一种在飞秒时间尺度上观察电子动力学的尖端技术，即百万分之一秒的十亿分之一。这种超快电子电影摄影机使他们能够首次捕捉到转瞬即逝的激发电子的图像。

“看到这些电荷载流子对对于破译这个过程至关重要，”弗里茨哈伯研究所的亚历山大·尼夫说，他是该研究的第一作者。“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，称为轨道。为了了解单线态裂变的过程，确定电荷载流子的轨道形状以及它们如何随时间变化至关重要。

对有机半导体的使用至关重要

利用手头超快电子电影的图像，研究人员首次根据激发电荷载流子的轨道特性分解了它们的动力学。“我们现在可以肯定地说，只有一个电子 - 空穴对在光子激发后立即被激发，并确定了自由电荷载流子倍增过程的机制，”Alexander Neef补充道。

“解决激子裂变的第一步对于在创新的光伏应用中成功实施这类有机半导体至关重要，从而进一步提高当今太阳能电池的转换效率，”Jens Pflaum教授说，他在维尔茨堡大学的团队为这项研究提供了高质量的分子晶体。这样的进步将产生巨大的影响，因为太阳能及其由这些第三代电池产生的将成为未来的主导能源。

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