“光驱动的电荷转移反应”这个听起来很有技术含量的范畴，对于非物理学家来说，当你把它称为光合作用或太阳能电力时，就会变得更加熟悉。
当一个分子(在树叶或太阳能电池中)受到高能光子的撞击时，它首先吸收小流星的能量，产生化学家们所说的激发态。这个激发态几乎立即(就像万亿分之一秒)将一个电子转移到一个电荷受体以降低它的能量。这种电荷的转移是驱动植物生命和光伏电流的原因。
一个20兆瓦的太阳能发电厂(维基共享的空中创新)激发态能量在决定太阳能转换效率方面起着重要作用。也就是说，光子在电荷分离状态下能保留的能量越多越好。对于大多数太阳能电力设备来说，激发态会迅速损耗能量，导致设备效率降低。
但是如果有一种方法可以从进入的光子中创造出更多的能量激发态呢?
杜克大学的一个化学家团队以一种高效的光合细菌为灵感，合成了一种“超分子”来帮助解决这个问题。该团队的成员包括研究生尼克•波利兹(Nick Polizzi)和蒋挺(Ting Jiang)，以及该校的教师大卫•贝拉坦(David Beratan)和迈克尔•特里安(Michael Therien)。
“尼克和丁发现了一个关于电子转移的非常酷的技巧，我们也许能够适应改进太阳能电池，”小威廉r凯南(William R. Kenan, Jr.)的化学教授迈克尔塞瑞恩(Michael Therien)说。“生物学在很久以前就发现了这一点，”他说。
“当分子吸收光时，它们有更多的能量，”Therien说。“这些分子激发态的作用之一就是移动电荷。一般来说，化学家设计的大多数太阳能转换结构都有这样的特点:当光子被吸收时，分子会将电子密度推向电荷移动的方向。然而，以太阳能为燃料的微生物——红景天却恰恰相反。尼克和丁证明，这也可能是太阳能电池的制胜策略。”
Ting江
尼克Polizzi化学家们设计了一种巧妙的合成分子，它展示了激发态的优势，这种激发态能将电子密度推向电荷流动相反的方向。实际上，这使得从光子中获得的更多能量可以用于太阳能电池。
“尼克和丁的研究表明，将电子密度推向与电荷流动方向完全相反的方向具有巨大的优势，”塞瑞恩在他位于法国家庭科学中心顶层的办公室里说。“激发态将电荷推向错误方向的最大好处是，它阻止了激发态弛豫的一个真正关键的途径。”
“所以，从很多方面来说，这是一个鲁比·戈德堡式的构想，”塞瑞恩说。“这是一种设计策略，可能已经在我们面前存在了好几年，但没有人能像尼克和丁这样把这些点联系起来。”
在7月2日评论《美国国家科学院学报》上,博林格林州立大学的化学家和photoscientist马尔科姆•福布斯D.E.称之为工作“大跃进”,说它“应该被视为一个最漂亮的物理化学实验在21世纪。”
(图片由Nick Polizzi拍摄)
引文:“对单线态和三重态进行反向电子极化可以提高高能光电产品的产量，”Nicholas Polizzi, Ting Jiang, David Beratan, Michael Therien。《美国国家科学院院刊》，2019年6月10日。DOI: 10.1073 / pnas上。1901752116在线:https://www.pnas.org/content/early/2019/07/01/1908872116
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://researchblog.duke.edu/2019/07/24/nature-shows-a-u-turn-path-to-better-solar-cells/