光伏发电，即光电转换是新时代发展可持续能源的关键技术之一。从马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦那个时代开始，我们就已经知道光和电都是以微小的、量子化的光子和基本电荷（电子和空穴）的形式出现的。传统的太阳能电池是将单个光子的能量转移到材料中的两个自由电荷。但有一种被称之为并五苯的材料可以将一个光子转化为四个电荷，这种过程被称为激子裂变。该技术的发现可以帮助提高太阳能电池的转化效率和性能，从而提高太阳能电池的功率和发电量，它对太阳能行业的影响将是深远而持久的。
马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所、柏林工业大学和朱利叶斯-马克西米利安-维尔茨堡大学的联合研究团队成功通过超快摄影拍摄到激子裂变中光电转换的图像，解决了几十年来关于这一过程机制的争论。该成果以“Orbital-resolved observation of singlet fission”为题发表在Nature 上（DOI: 10.1038/s41586-023-05814-1）。
图1 有机半导体并五苯中激子裂变过程，每一个都由五个苯环组成。与通常的两个自由载流子不同，并五苯吸收光子会产生四个自由载流子，用橙色轨道表示
该研究的主要作者、弗里茨·哈伯研究所马克斯·普朗克研究小组负责人、柏林工业大学实验物理学教授Ralph Ernstorfer表示，当并五苯被光激发时，材料中的电荷会迅速反应。但被吸收的这个光子是直接激发两个电子和空穴，还是最初只激发一个电子-空穴对，然后与另一个电荷对分享能量，在学术界中这是一个具有高度争议的问题。
为了解开这个谜团，研究团队利用时间分辨光谱学（超快光谱学）和角分辨光谱，从而在飞秒（千万亿分之一秒）时间尺度上观察电子的动力学。这种超快电子摄像机使他们第一次能够捕捉到转瞬即逝的被激发电子的图像。
该研究的第一作者、弗里茨哈伯研究所的Alexander Neef称，观察到载流子的图像对解释激子裂变过程十分重要。一个被激发的电子-空穴对不仅具有特定的能量，而且具有独特的模式，也就是轨道。为了理解单线态裂变的过程，确定载流子的轨道形状以及它们如何随时间变化是至关重要的。
在得到激发电子的图像后，研究团队首次根据它们的轨道特征分析了受激载流子的动力学。Alexander Neef补充道，他们现在可以确定，在光子激发后只有一个电子-空穴对被激发，并确定了自由电荷载流子加倍过程的机制。
维尔茨堡大学的Jens Pflaum教授称，解决激子裂变的第一步对于在光伏应用创新中成功实现这类有机半导体至关重要，从而进一步提高当今太阳能电池的转换效率。该团队为为这项研究提供了高质量的分子晶体，这样的进步将产生巨大的影响，因为太阳能和由这些第三代电池产生的太阳能将成为未来的主要能源。
