地球能接收到巨大的太陽能量，但現(xiàn)有太陽能電池只能捕獲其中一小部分，能量轉(zhuǎn)換效率長(zhǎng)期受限。日本九州大學(xué)與德國(guó)約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出一種基于鉬的金屬?gòu)?fù)合物，即“自旋翻轉(zhuǎn)發(fā)射體”，并通過單重態(tài)裂變(SF)實(shí)現(xiàn)了光能倍增，使量子產(chǎn)率達(dá)到約130%，突破了傳統(tǒng)100%的上限。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊》上，為開發(fā)高性能太陽能電池帶來了新可能。

研究人員利用鉬基發(fā)射體成功捕獲了單線態(tài)裂變放大激子，實(shí)現(xiàn)了130%的量子產(chǎn)率，并開辟了超越太陽能電池效率極限的道路。圖片來源：日本東京大學(xué)

太陽能電池發(fā)電的過程，就像一場(chǎng)微觀接力賽。陽光中的光子撞擊半導(dǎo)體，將能量傳遞給電子，使其被激發(fā)并產(chǎn)生電流。通常，一個(gè)光子在半導(dǎo)體中最多只能激發(fā)一個(gè)電子形成一個(gè)激子，而光子的能力參差不齊。低能量的紅外光子無法激發(fā)電子，高能量的光子如藍(lán)光，其多余能量則以熱的形式浪費(fèi)掉。因此，太陽能電池通常只能利用約1/3的陽光。這一上限被稱為“肖克利—奎瑟極限”，長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家。

通過SF過程，高能單重態(tài)激子可被分裂為兩個(gè)低能三重態(tài)激子，理論上將能量翻倍。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，倍增產(chǎn)生的激子很容易通過一種稱為“Förster共振能量轉(zhuǎn)移”(FRET)的機(jī)制被耗散。為解決這一難題，研究人員將SF材料與鉬基自旋翻轉(zhuǎn)復(fù)合物結(jié)合，通過精確調(diào)控能級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倍增激子的選擇性捕獲，從而抑制能量損失。

這項(xiàng)技術(shù)使他們首次在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了超過100%的量子產(chǎn)率。團(tuán)隊(duì)在溶液中將四苯并蒽材料與鉬基復(fù)合物配對(duì)，量子產(chǎn)率達(dá)到約130%，即每吸收一個(gè)光子，約1.3個(gè)鉬基復(fù)合物被激發(fā)，顯示出能量收集能力超越傳統(tǒng)上限。

目前，該研究仍處于概念驗(yàn)證階段。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在固體中整合兩類材料，實(shí)現(xiàn)更高效的能量傳遞，并最終應(yīng)用于實(shí)際太陽能電池。此外，這一技術(shù)策略也有望推動(dòng)發(fā)光二極管和下一代量子器件的發(fā)展，為光能高效利用和可再生能源技術(shù)開辟新思路。