太阳能电池的设计，产生更少的废热，更多有用的电流。

太阳能电池的设计，产生更少的废热，更多有用的电流。

化学教授 Troy Van Voorhis（左）和电气工程教授 Marc Baldo（右）。
标题:化学教授 Troy Van Voorhis（左）和电气工程教授 Marc Baldo（右）。
学分:照片：斯图尔特·达施
当阳光照射在今天的太阳能电池上时，大部分进入的能量都以废热而不是电流的形式释放出来。然而，在一些材料中，额外的能量会产生额外的电子——这种行为可以显着提高太阳能电池的效率。

麻省理工学院的一个团队现在已经确定了这种现象发生的机制，并为使用这些特殊材料制造高效太阳能电池制定了新的设计指南。该结果由麻省理工学院校友 Shane R. Yost 和 Jiye Lee 以及其他十几位合著者在《自然化学》杂志上发表，所有这些都是由麻省理工学院化学教授 Troy Van Voorhis 和电气工程教授 Marc Baldo 领导的。

在大多数光伏 (PV) 材料中，一个光子（一束阳光）传递能量来激发一个分子，使其释放一个电子。但是，当高能光子提供的能量绰绰有余时，分子仍然只释放一个电子——外加废热。

一些有机分子不遵循该规则。相反，它们每个高能光子产生一个以上的电子。这种现象——被称为单线态激子裂变——在 1960 年代首次被发现。然而，在功能性太阳能电池中实现它已被证明是困难的，所涉及的确切机制已成为该领域激烈争论的主题。

在过去的四年里，Van Voorhis 和 Baldo 一直在汇集他们的理论和实验专业知识来研究这个问题。2013 年，他们报告称制造出了第一款从高能可见光中释放额外电子的太阳能电池，这种可见光几乎占地球表面太阳电磁辐射的一半。根据他们的估计，将他们的技术用作硅太阳能电池上的廉价涂层可以将效率提高多达 25%。

虽然这令人鼓舞，但了解工作机制将使他们和其他人做得更好。现在已经在各种材料中观察到激子裂变，所有这些都是偶然发现的——就像最初的材料一样。Van Voorhis 说：“在我们了解工作的基本机制之前，我们无法合理地设计利用激子裂变的材料和设备——直到我们知道电子实际上在做什么。”

为了支持他对 PV 内电子行为的理论研究，Van Voorhis 使用了从 Baldo 和麻省理工学院 John D. MacArthur 化学教授 Timothy Swager 特别合成的样品中收集的实验数据。这些样品由四种类型的激子裂变分子组成，这些分子装饰有各种“菠菜”——庞大的原子侧基，可以在不改变物理或化学的情况下改变分子间距。为了检测以飞秒（10 -15秒）为单位测量的裂变率，麻省理工学院的团队求助于包括 Lester Wolfe 化学教授 Moungi Bawendi 在内的专家，以及布鲁克海文国家实验室和剑桥大学卡文迪什实验室的特殊设备，理查德朋友的方向。

Van Voorhis 的新第一性原理公式成功地预测了结构截然不同的材料的裂变率。此外，它一劳永逸地证实了该机制是 1960 年代提出的“经典”机制：当这些材料中存在过剩能量时，激发分子中的电子与附近未激发分子中的电子交换位置。被激发的电子带来了一些能量并留下了一些能量，因此两个分子都释放出电子。结果：一个光子进来，两个电子出去。“几十年前提出的简单理论证明可以解释这种行为，”范沃里斯说。“不需要最近提出的有争议的或‘奇特的’机制来解释这里观察到的情况。”

结果还为使用这些材料设计太阳能电池提供了实用指南。他们表明，分子堆积对于定义裂变速率很重要——但只是在一定程度上。当分子靠得很近时，电子移动得如此之快以至于给予和接受电子的分子没有时间进行调整。事实上，一个更重要的因素是选择具有正确固有能量水平的材料。

研究人员对他们的实验数据和理论数据之间的一致性感到满意 - 特别是考虑到正在建模的系统。每个分子有大约 50 个原子，每个原子有 6 到 10 个电子。“这些都是复杂的计算系统，”Van Voorhis 说。“这就是 50 年前他们无法计算这些东西的原因——但现在我们可以了。”

未参与这项研究的哥伦比亚大学化学教授戴维·赖克曼 (David Reichman) 认为这些新发现“对单线态裂变文献做出了非常重要的贡献。通过建模、晶体工程和实验的协同组合，作者首次对影响裂变率的参数进行了系统研究，”他说。他们的发现“应该强烈影响裂变材料的设计标准，远离涉及分子堆积的目标，并转向关注所选材料的电子能级。”