數千年來，人類一直在通過各種方式利用太陽的巨大能量。地球上任一時刻接收的太陽能總量約為1017瓦，而全球電力需求約為1012瓦。儘管太陽能似乎無處不在，但在美國僅有1.3%的電力是由太陽能提供的。因此，太陽能電池產業仍有巨大的增長機會，能為世界人口提供清潔和可再生能源。巨大的經濟潛能推動了能源領域的發展。為了更好地利用太陽能，研究人員不斷致力於使這些太陽能設備更耐用，更有效地將太陽光轉化為電能。在今天《自然》雜誌的一篇文章中，Einzinger等提出了一種提高太陽能電池效率的潛在方法。
在不提升技術或成本的情況下，想要實現高度優化的太陽能電池效率，難度很大，但這是一個潛在的變革目標，值得繼續推進。硅太陽能電池目前在市場上占主導地位，但電池的轉化效率限制很大。1961年，科學家就發現太陽能電池最明顯的缺陷是高能光子會產生不必要的熱量。因此，傳統的硅太陽能電池只能將30%的太陽能輻射轉化成電能，還遠遠不能說完美。克服這一障礙的策略包括：將不同的太陽能電池串聯成組件，或者在轉換成電能之前找到分離光子能量的方法。
Einzinger及其同事發現，太陽能高能光子的吸收過程會產生高能激發效應，而在分子層可以把高能激發效應轉化為兩個低能激發效應，然後通過精心設計的界面轉移到硅太陽能電池中，在那裡進一步轉化成電能。整個過程不需要額外的電流接觸，也無需改變太陽能電池本身的操作內容。這將大大減少太陽能熱量的損耗，也將有利於太陽能硅電池提升發電效率，可以達到目前最高電池效率的1.4倍水平。
"數千年來，人類一直在通過各種方式利用太陽的巨大能量。地球上任一時刻接收的太陽能總量約為1017瓦，而全球電力需求約為1012瓦。儘管太陽能似乎無處不在，但在美國僅有1.3%的電力是由太陽能提供的。因此，太陽能電池產業仍有巨大的增長機會，能為世界人口提供清潔和可再生能源。巨大的經濟潛能推動了能源領域的發展。為了更好地利用太陽能，研究人員不斷致力於使這些太陽能設備更耐用，更有效地將太陽光轉化為電能。在今天《自然》雜誌的一篇文章中，Einzinger等提出了一種提高太陽能電池效率的潛在方法。
在不提升技術或成本的情況下，想要實現高度優化的太陽能電池效率，難度很大，但這是一個潛在的變革目標，值得繼續推進。硅太陽能電池目前在市場上占主導地位，但電池的轉化效率限制很大。1961年，科學家就發現太陽能電池最明顯的缺陷是高能光子會產生不必要的熱量。因此，傳統的硅太陽能電池只能將30%的太陽能輻射轉化成電能，還遠遠不能說完美。克服這一障礙的策略包括：將不同的太陽能電池串聯成組件，或者在轉換成電能之前找到分離光子能量的方法。
Einzinger及其同事發現，太陽能高能光子的吸收過程會產生高能激發效應，而在分子層可以把高能激發效應轉化為兩個低能激發效應，然後通過精心設計的界面轉移到硅太陽能電池中，在那裡進一步轉化成電能。整個過程不需要額外的電流接觸，也無需改變太陽能電池本身的操作內容。這將大大減少太陽能熱量的損耗，也將有利於太陽能硅電池提升發電效率，可以達到目前最高電池效率的1.4倍水平。
圖說：在Einzinger等人報道的實驗中，硅太陽能電池的頂部表面被氮氧化鉿的超薄塗層覆蓋，塗層頂部沉積著一層並四苯的材料。並四苯層吸收高能光子，產生單重態激子，即電子的束縛狀態和具有零自旋(磁矩)的空穴(電子空位)。該單重態激子經過一個單線態裂變的過程後，產生兩個三重態激子，呈現出1個自旋的電子和電子空位的配對形態。接下來，這些激子通過氮氧化鉿轉移到太陽能電池中。最後，電子和電子空位擴散到器件底部相應的電觸點，完成了產生電流的整個過程。
從一個吸收的光子形成一對低能激發效應的過程，稱為“單線態裂變”，這種機制吸引了人們的興趣，主要是因為它有可能增加太陽能能量的吸收。能實現單線態裂變的原材料是結晶並四苯，這種材料將(高能量的)藍光或綠光分成兩個激發形式，其能量類似於硅的最低能量激發。這種能量匹配使得並四苯和硅成為單線態裂變產物轉移的潛在理想載體。研究人員之前使用並四苯和硅太陽能電池的組合，來尋找單線態裂變引發效率增強的證據，但是並不清楚將低能激發轉移到太陽能電池中的關鍵步驟。
在單線態裂變中，高能激發是單重態激子，處於電子和電子空位的束縛狀態，電子空位具有零磁矩(即零自旋)。低能激發是三重態激子，即電子—空穴組合，其自旋為1。與它們的單重態對應物不同，由於量子力學自旋選擇規則，三重態激子不能通過輻射的方式返回基本狀態。該限制延長了它們的壽命，但是抑制了共同的能量轉移機制，否則該能量轉移就能夠通過例如厚的鈍化層(保護太陽能電池表面免受汙染的惰性材料)進行激發的長程轉移。
1979年，物理學家David Dexter提出並四苯層可用於硅太陽能電池頂部。他設想由單線裂變產生的兩個三重態激子可以通過激發過程，有效地轉移到太陽能電池中，電池通過吸收太陽光中的藍色光和綠色光，進而使產生的電流得到加倍。
然而，這種機制只具有短程特點，並且只有通過超薄屏障時才能有效地發生。這種屏障通常不足以鈍化諸如硅的半導體表面，導致功率損失，使單線態裂變的有益效果無法體現出來。雖然具備光學特性的並四苯是這種能量轉移過程的理想載體，但因為它通電性能不好，使它很難直接集成到高效太陽能電池中。
目前，Einzinger及其同事所開發的太陽能電池的效率相對較低，整體設計也還需要進一步的優化。氮氧化鉿能夠使硅表面鈍化，但前幾個注入的電子和電子空穴會首先填充硅表面的缺陷，然後進入到太陽能電池中。這一發現表明硅的表面仍然不完美，但仍然顯示了這種策略在太陽能電池運行中是可用的。另外，目前的理論還沒能很好地描述三重態激子轉移的機制，以及它進行加速的原因。儘管如此，人們已經開始研究有效三重激子是如何向硅轉移的，假以時日，Dexter的夢想很有可能成為現實。
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能源一號Joseph M. Luther & Justin C. Johnson
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