剑桥科学家发现太阳能材料中的"分子弹射器"

剑桥大学的科学家们观察到电子在仅18飞秒——不到20千万亿分之一秒——的时间内穿越太阳能材料边界,由充当"弹射器"作用的分子振动推动。这项发现于3月5日发表在《自然·通讯》上,挑战了数十年来关于电荷如何在太阳能系统中移动的假设,并可能重塑更高效光捕获技术的设计思路。

"分子弹射器"颠覆传统预期

剑桥团队刻意构建了一个理论上性能应该很慢的系统:将聚合物供体与非富勒烯受体配对,两者之间仅有极小的能隙和微弱的电子耦合。根据传统理论,这些条件本应大幅减缓电荷转移速度。

然而,电子却以单次相干爆发的方式跃过界面,借助分子自身的高频振动,如同弹射器一般。"我们刻意设计了一个按照传统理论不应如此快速转移电荷的系统,"剑桥大学圣约翰学院研究员、该研究的第一作者Pratyush Ghosh博士说。"电子不是随机漂移,而是以一次相干爆发的方式被发射出去。这种振动就像一个分子弹射器"。

18飞秒的转移时间与原子运动本身的自然时间尺度相当——这意味着电子在材料内的移动速度基本达到了物理学所允许的极限。超快激光测量显示,聚合物在吸收光后会以特定模式振动,这些振动混合了电子态,并将电子沿弹道路径向前推进,而非缓慢的随机游走。

太阳能设计规则的革新

这一结果颠覆了长期以来的假设,即超快电荷分离需要巨大的能量差和材料之间强烈的电子耦合——这些条件虽然能提高速度,但会因限制电压和增加能量损失而降低效率。

一旦电子到达受体分子,它就会触发一种新的相干振动,这是一种罕见的特征信号,在有机材料中仅被观察到过几次。"这种相干振动是电荷转移速度有多快、过程有多纯净的明确指纹特征,"Ghosh说。

卡文迪许实验室的Akshay Rao教授是该研究的共同作者之一,他表示这一发现指向了一种新策略:"我们现在可以设计利用分子运动的材料,而不是试图抑制分子运动——将振动从一种局限转变为一种工具"。这项研究涉及来自意大利、瑞典、美国、波兰和比利时的合作者。