虽然有机太阳能电池市场不断增长，但它们所含的材料比普通太阳能电池板中使用的材料更便宜，更丰富，更环保 - 它们在将太阳光转换为电能方面的效率往往低于传统太阳能电池。太阳能电池。
现在，作为能源材料兴奋状态现象计算研究中心(C2SEPEM)成员的科学家，能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的新能源材料相关科学中心已经解开了一个谜团这可能会提高效率。
他们精确定位了一种超快速高效工艺的来源，该工艺从有机晶体中的单个粒子光中产生了几个电荷载体，这些晶体是这种日益流行的太阳能电池形式的组成部分。
这个过程 - 称为“单线裂变”，因为它类似于原子核在核裂变中的分裂，从较重的原子中产生两个较轻的原子 - 有望通过快速转换更多的太阳光来大幅提高有机太阳能电池的效率。能量到电荷而不是失去热量。
“我们实际上发现了一种新的机制，可以让我们尝试设计出更好的材料，”美国能源部支持的中心C2SEPEM主任Steven G. Louie说道，该中心包括伯克利实验室的研究人员。加州大学洛杉矶分校; 德克萨斯大学奥斯汀分校; 和佐治亚理工学院。
Louie是该研究的联合负责人，同时也是伯克利实验室材料科学部的高级教员科学家和加州大学伯克利分校的物理学教授。C2SEPEM专注于开发理论，方法和软件，以帮助解释能源相关材料中的复杂过程。
在分裂过程中，由具有负电荷的电子和其伴侣孔组成的复合粒子 - 在材料的原子结构中的空闲电子位置，其表现为携带正电荷的粒子 - 迅速转换为两个电子空穴对。这使材料中的电荷携带能力加倍，同时避免作为热量的能量损失。
“我们仍然不了解晶体材料中这一过程的基本物理特性，我们希望能够更多地了解它，”C2SEPEM的副主任Jeffrey B. Neaton说道，他与Louie共同领导了这项研究。 。
Neaton还是伯克利实验室能源科学副实验室主任，伯克利实验室分子铸造厂主任，加州大学伯克利分校物理学教授。“我们开发的计算方法非常具有预测性，我们用它来以一种新的方式理解单线态裂变，这可能使我们能够在设计光线时更有效地设计材料。”
路易指出，许多过去的努力都集中在材料中的几个分子 - 在这种情况下，结晶形式的并五苯，由氢和碳组成 - 来了解这些奇异的影响。但是这种方法可能过分简化了驱动单线态裂变的效应。
“有许多理论上的努力试图了解正在发生的事情，”他说。
在这项最新研究中，研究小组开始大规模地了解结晶并五苯的整体结构，特别是其对称性 - 原子框架中的重复模式。
“这就像试图通过逐个分子地观察海洋或者观察整个海浪来解释海洋，”与Sivan Refaely-Abramson一起研究的共同主要作者Felipe H. da Jornada说。他们都是伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士后研究人员，也是C2SEPEM的附属机构。
“我们的方法直接捕捉整个水晶，”无论大小，他指出。
该团队使用了伯克利实验室分子铸造厂的部分计算，以及实验室国家能源研究科学计算中心的超级计算资源，以开发，建模和测试他们的裂变过程新理论。
“我们相信这些理论也适用于非常不同的材料，”Refaely-Abramson说，“从这个意义上讲，理论非常重要。” 先前的实验已经错过了关于晶体结构在单线裂变机制中的作用的一些重要线索。
该研究的结论是，为了有效地加倍这些电子 - 空穴对，采样材料应该在其晶体结构中显示出特定种类的对称性或分子的重复组合 - 正如房间的地板可以显示多种简单的，使用相同的图块重复图案。
单线态裂变过程的效率似乎在很大程度上依赖于每个重复模式中包含的分子数量或晶体中的“基序”，以及特定类型的对称性，其中存在180度旋转和镜像这些图案。研究人员发现，这种对称与效率之间的关系使他们能够对整体裂变的效率做出有力的预测。
但是，如果样本中的电子 - 空穴对表现为像整个海洋中的波浪那样在整个晶体中移动的波状物体，那么这些预测才有可能实现。这种方法也为他们提供了有关分裂过程的新见解，以及新创建的对如何必须像波向相反方向传播一样。
研究人员指出，仍然需要制定几个步骤，以使这些发现与实际应用更加相关。例如，在太阳能电池中，电子必须从与孔的配对中有效地释放出来以收集能量并改善太阳能电池板的性能。
了解材料中电荷载体的加倍可以帮助研究人员更好地解释和设计逆向过程 - 例如某些移动电话显示器中使用的技术减少了电荷载体的数量(称为三重融合的过程)， Neaton。
Louie指出，为研究而组建的多学科团队是C2SEPEM中心的一个关键方面，它是引入新思维以解决几十年前问题的不可或缺的组成部分。
“这是我们可以解决的第一个重要议题之一，现在它已经实现，”他说。