可以提高有机太阳能电池性能的新发现

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目前有机太阳能电池的市场越来越大，虽然它们所含的材料比一般太阳能电池板更便宜、更丰富、更环保，但它们在太阳能转化为电能方面的效率往往低于传统太阳能电池。

现在，激发态能源材料计算研究中心（C2SEPEM）的科学家们解决了这一个谜，可能会实现太阳能电池效率的提高。这一研究中心是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的一个新能源材料相关的基础科学中心。

他们发现了一个超快和高效的过程，而可以产生的电荷载体的几种有机晶体将是越来越受欢迎的太阳能电池的组成部分。

这一过程被称为“单线裂变”，因为它类似于核裂变中原子核的分裂，从较重的原子中产生两个较轻的原子，这一过程有望迅速地将更多的太阳光能量转化为电荷而不是失去热能，从而大大提高有机太阳能电池的效率。

研究小组发现了一种新的机制，如何解释这种反应可以在几十飞秒内就完成，而竞争掉其它的可能偷走其中能量的各种效应。他们的研究发表在近期的《物理评论快报》上。

“我们确实发现了一种新的机制，让我们来设计更好的材料，”Steven G. Louie说，他是激发态能源材料计算研究中心的主任，研究中心的研究员包括来自伯克利实验室、加利福尼亚大学、得克萨斯大学奥斯汀分校、乔治亚理工学院等。

Louie是该研究的共同领导者，也是伯克利实验室材料科学部高级学院的科学家和伯克利分校的物理学教授。激发态能源材料计算研究中心重点研究其中理论、方法和软件，以帮助解释能源相关材料的复杂过程。

在分裂过程中，由一个负电荷的电子组成的复合粒子，和它的合作伙伴空穴，在物质原子结构中的一个空缺电子位置，其行为类似于粒子携带正电荷，迅速转变成两个电子空穴对。这使材料中的电荷携带电位加倍，同时避免了热量损失。

“关于结晶材料的这一过程，我们还有很多事不了解，我们希望能揭示更多的物理基础原理，”Jeffrey B. Neaton说，他是激发态能源材料计算研究中心副主任，与Louie共同领导该项研究。

Neaton也是伯克利能源科学实验室副主任、伯克利实验室分子铸造厂的主任和伯克利分校物理学教授。“我们开发的计算方法是非常有预见性的，我们用它来理解单线裂变的一种新的方式，这可能使我们能够设计更有效的材料用于吸收光能。”

Louie指出，过去的许多努力都集中在材料中的少数分子的外来的影响，在这种情况下，结晶形成的并五苯，它是由氢和碳组成。但这种方法可能过于简化的作用驱动的单核裂变。

他说：“有许多理论努力试图了解到底发生了什么。”。

在上面这些图像中，初始自旋单态激子态（左），具有电子-空穴对，分裂成一对自旋三重态激子（右）。个别三胞子具有相等但方向相反的质量动量中心，它们背向运动。铜色和白球代表碳原子和氧原子，分别与水和绿色表面是激子相位相反的波函数分布。来源：伯克利实验室。

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在这项最新研究中，研究团队开始从一个大型的结晶之整体结构来看，尤其是它的对称的重复图案的原子结构。

“这就像是通过一个分子一个分子的观察来解释海洋，或研究一个全波，” Felipe H. da Jornada说，他是这项研究的共同作者。是一名博士后研究人员，目前在伯克利实验室也隶属于激发态能源材料计算研究中心。

“我们的方法直接捕捉整个晶体，”而不管大小，他提到。

国家能源研究科学计算中心的研究小组在实验室利用伯克利实验室的分子铸造和超级计算资源进行了计算，开发、建模和测试了裂变过程的新理论。

“我们相信，这些理论也可以应用于不同的材料，”Refaely Abramson说，“在这个意义上，理论是非常重要的。”之前的实验已经错过了一些关于晶体结构的单核裂变机制作用的重要线索。

这项研究的结论是，为了有效地将这些电子空穴对增加一倍，取样材料应该在晶体结构中显示一种特殊的对称性或重复的分子组合，就像房间的地板可以用相同的瓷砖显示许多简单的重复图案一样。

单重裂变过程的效率在很大程度上取决于在每一个重复的图案或“主题”在晶体中包装的分子的数量，并在一个特定类型的对称，其中有一个180度旋转和镜像这些图案。研究人员发现，这种对称性和效率之间的关系，使他们能够对整体裂变的效率作出强有力的预测。

这些预测只能是具有可能性，但是，如果样品中的电子-空穴对像移动整个水晶像在海浪波的对象。这种方法也使他们对分裂过程有了新的认识，以及新创建如何表现为相反方向传播的波。

研究人员指出，要使这些发现更符合现实世界的应用程序，但还需要制定几个步骤。例如，在太阳能电池中，电子必须有效地从与空穴的配对中解放出来，以获得能量并改善太阳能电池板的性能。

了解材料中的载流子的倍增可能帮助研究人员更好地解释和工程师逆向过程，如用于手机显示屏降低载流子的数量的技术（这一过程称为三重融合），Neaton说。

Louie指出，这是多个不同领域研究人员通力合作的结果，对激发态能源材料计算研究中心的一个重要方面是引入新的思路对于解决这种存在几十年的问题是很有用的。

他说：“这是我们能够解决的第一个重要议题之一，现在它已经实现了。”