国家可再生能源实验室 通过受激时的扭曲，一些有机分子的长链可以隔离分子两端的三重态激子
学分:国家可再生能源实验室 在扭曲和旋转长有机分子的过程中，国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员发现了一组用于未来超高效太阳能电池的材料
在《自然化学》的一篇新论文中，NREL的研究人员展示了一个精心设计的分子如何有效地将一个光子传递的能量分成两个激发态，并使它们分开几微秒——这在分子尺度上是很长的时间
这三位作者——纳迪亚·科罗维纳、克里斯·张和贾斯廷·约翰逊——利用他们在化学和计算机建模方面的不同专业知识设计了这种新分子，并了解了它的功能
当光子撞击适当的半导体材料时，它会产生激子——一种激发态
在一些有机分子中，激子可以分裂，形成两个三重态激子
与传统太阳能电池相比，这种“单重态裂变”的过程有可能被用来从每个被吸收的光子中提取更多的能量
然而，如果这两个三胞胎相遇，它们就会重组并不复存在
此外，单重态分裂成两个稳定的三重态的过程通常会损失一些热量
一个理想的有机光伏分子将解决这两个问题——这意味着它可以有效地将单线态激子转化为三重态激子，而不会损失热量，并保持这些三重态激子分离，因此它们不能重组
NREL团队决定设计他们自己的分子，而不是去寻找这样的分子
根据以前的研究，研究小组大体上知道哪些类型的有机分子有希望
但是他们需要确定这些分子应该有多长多复杂才能阻止三重态重组
考虑到这个目标，科罗维纳合成了一系列不同长度的分子，它们都是由发色团链——吸光的分子构件——构成的
博士后研究员纳迪亚·科罗维纳合成了新分子
在NREL完成博士后工作后，她成为加州州立大学奇科分校的教授
信用:库尔特·范·奥尔斯堡，NREL “最困难的部分是设计分子，在其中实现单线态和三线态能量的良好平衡，”科罗维纳说
“经过大约一年的反复试验，我们找到了合适的分子，从中我们能够了解单线态裂变过程的复杂性
" 在按照大小仔细分类这些分子后，研究小组发现，要成功分离出两个三重态激子，至少需要一条由三个发色团组成的链
为了弄清楚发色团链是如何将这两个三胞胎分开的，约翰逊和科罗维纳求助于具有生物化学背景的计算科学家常
“我认为模特有助于回答两个大问题，”常说
“基于基本原则，它是如何工作的？当它这样做时，它看起来是什么样的？” 通过创建并完善分子如何运动和相互作用的模型，研究小组发现扭曲运动赋予分子分离三胞胎所需的特征
分子链不在光照下通常是松软而柔韧的；但是当它吸收一个光子时，链绕着它的中心轴扭曲并开始变硬，形成一个便于形成两个三联体的形状
最初过程结束后发生的后续扭转有助于在空间上将两个三胞胎分开，延长它们的寿命
通过结合实验和建模方法，该团队不仅能够开发出一种有前途的能量吸收分子，而且能够详细解释其功能
现在基本的机制已经被很好地理解，未来在高效太阳能电池或其他光电化学系统中开发和使用类似的分子应该更容易
“像这样的新发现是有可能的，不需要跨越学科，”约翰逊说，“但是像我们这样结合专业知识可以产生更大的影响。”
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