虽然有机太阳能电池的市场正在不断增长，(它们所含的材料比传统的太阳能板所用的材料更便宜，更丰富，更环保)，但是与传统太阳能电池相比，它们将太阳能转换为电能的效率相对更低。
现在，作为能源材料激发态现象计算研究中心（C2SEPEM）的成员，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的科学家解决了获得高效率太阳能电池的问题。
他们指出了一种超快速和高效的过程的来源，这种过程从有机晶体中的单个光粒子产生几个电荷载流子，而这些有机晶体是这种日益流行的太阳能电池的组成部分。
这个过程被称为“单线态分裂”，因为它类似于核裂变中原子核的分裂，从较重的原子中产生两个较轻的原子—有望快速的将更多的太阳能转换成电能（而不是以热量的形式失去）来显着提高有机太阳能电池的效率。
研究小组发现了一种新的机制，可以用来解释在其他竞争性的反应夺走他们的能量之前，这个反应能够在在几十飞秒（十亿分之一秒）的情况下发生。他们的研究发表在12月29日的《物理评论快报》杂志上。
美国能源部支持的中心C2SEPEM的主任Steven G. Louie说：“我们实际上发现了一种新的机制，可以让我们设计出更好的材料”。该中心包括伯克利实验室、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的研究人员。
路易是该研究的共同负责人，也是伯克利实验室材料科学部的高级教授科学家，加州大学伯克利分校的物理学教授。C2SEPEM致力于开发理论，方法和软件，来帮助解释与能源相关的材料的复杂过程。
在分裂过程中，由具有负电荷的电子和其配对空穴组成的复合颗粒——在材料的原子结构中的空电子位置，其像携带正电荷的颗粒一样——迅速地转化为两个电子空穴对。这使得材料中的电荷潜能加倍，同时避免了以热能的形式损失。
C2SEPEM的副主任Jeffrey B. Neaton（与Louie共同进行了这项研究）说：“我们仍然不清楚晶体材料中这个过程的基本物理性质，我们希望能够更多地了解这个过程。
Neaton还是伯克利实验室能源科学的副实验室主任，伯克利分子实验室的主任，加州大学伯克利分校的物理学教授。“我们开发的计算方法是非常有预见性的，我们用它来以一种新的方式来了解单线态分裂，例如，可以让我们在收集光线时更有效地设计材料。”
Louie指出，过去的许多努力都集中在材料中的几个分子。在这种情况下，我们都是通过是由氢和碳组成的并五苯的结晶形式，来了解这些外在效应。但是这样的方法可能已经过分简化了单线态裂变的影响。他说：“我们在理论上做了很多努力来尝试理解那些正在发生的事情。”
在最近的这项研究中，研究团队首先对结晶后的并五苯的整体结构，特别是其对称性——原子框架中的重复模式进行了大规模的观察。
与Sivan Refaely-Abramson研究的联合主要作者Felipe H. da Jornada（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，也是隶属于C2SEPEM的）说：“这就像试图用分子来看待分子，或者看整个海浪来解释海洋。
他指出：“我们的方法是直接捕捉整个晶体，不管大小如何。”
该团队使用伯克利实验室的分子铸造部分进行了计算，并在该实验室的国家能源研究科学计算中心利用超级计算资源来开发，建模和测试他们关于裂变过程的新理论。
Refaely-Abramson说：“我们相信这些理论也可以应用于不同的材料。从这个意义上讲，理论是非常重要的。之前的实验已经错过了关于晶体结构在单线态裂变机理中的作用的一些重要线索。”
该研究得出结论，为了有效地使这些电子空穴对加倍，采样的材料应该在其晶体结构内显示特定类型的对称性或重复的分子组合——正如房间的地板的瓷砖可以呈现许多简单的重复的图案。
单线态裂变过程的效率似乎严重依赖于晶体中每个重复模式或“模体”中包含的分子的数量，以及特定类型的对称性，其中存在180度旋转和镜像图案。研究人员发现，这种对称性和效率之间的关系使得他们能够对整体裂变的效率做出有力的预测。
这些预言只能是可能的，但是，如果样本中的电子空穴对像波浪一样在整个晶体中移动，就像海洋中的波浪一样。这种方法也给了他们关于分裂过程的新见解，以及新创建的电子空穴对如何表现出像波浪一样向相反方向传播。
研究人员指出，为了使这些发现与真实世界的应用更相关，还有几个步骤必须制定出来。例如，在太阳能电池中，电子必须从与孔配对中有效释放，以获得能量来提高太阳能电池板的性能。
Neaton说：“ 理解材料中电荷载体的翻倍可能有助于研究人员更好地解释和设计反向过程。例如在一些手机显示器中使用的减少电荷载体数量的技术（一种称为三重融合的过程）。”
Louie指出，作为C2SEPEM中心重要组成部分的多学科研究小组，对于解决一个数十年的问题，新的思路是很重要的。
他说：“这是我们可以解决的第一个重要议题之一，而现在已经实现。”
