张春峰/肖敏课题组揭示分子内单线态裂分新通道

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太阳能利用是清洁能源中的重要组分，在实现碳中和等国家中长期战略目标中可扮演关键角色。目前，单结太阳能转换器件接近于传统框架下的Shockley-Queisser效率极限，进一步提升效率需要工艺成本的巨大付出，寻求突破现有框架的新理念迫在眉睫。
        Shockley-Queisser效率极限默认材料吸收一个光子后只产生一对电子空穴，过剩能量发热损耗。单线态裂分过程可以绕开这一限制，在单线态能量两倍于三线态的特定分子中，单线态激子可直接转换成一对三线态激子，实现光生载流子的倍增效应。单线态裂分若能集成到光电转换器件中，有望突破现有的效率极限。理解单线态裂分机理，合成单线态裂分材料，设计可靠的单线态裂分器件方案备受业界关注。目前人们对于单线态裂分的理解大都基于简化的二聚体模型：光激发的单线态通过三线态激子对(TT)拆分成自由三线态(T1)。但是，产生TT态依赖于分子间相互作用，而拆分成自由三线态又受制于分子间相互作用，这一矛盾严重限制了单线态裂分应用的可能。
        研究人员结合有机合成、瞬态光谱表征和理论计算等多种研究手段，提出了在多聚体寡聚物中可借助空间分离的三线态激子对(T…T)实现高效三线态生成的过程(图1(a))。特别地，课题组创造性的借助瞬态磁光光谱的方法，解决TT和T…T中间态难以区分的难点(图1(b))，发现单线态通过T…T态转换成自由三线态的关键通道。研究结果表明，三线态激子对之间的自旋相干演化在单线态裂分过程中扮演重要角色。单线态新通道的确认，为开发新的分子内单线态裂分材料，实现光电转换新机制提供了新的思路。

图1.(a)近邻(TT)和空间分离(T…T)三线态激子对中间态媒介的单线态裂分双通道示意图；(b)T…T态生成动力学的外磁场调控。

       研究工作由南京大学物理学院张春峰/肖敏课题组联合化学化工学院马海波教授及中国石油大学李希友教授协同攻关完成。物理学院张春峰/肖敏课题组长期从事太阳能转换机制研究。近年来，他们报导了分子间单线态裂分中间的非局域特性(Nature Commun. 6, 8602(2015)),揭示了非富勒烯光伏体系的光电荷产生和损耗动力学机制(JACS 143, 4359(2021), JACS 142, 12751 (2020) , Nature Commun. 10, 398(2019))，探索了热电子转换提高光电子转换新方案（Nature Commun. 10, 1163(2019)）。研究成果以“Free-triplet generation with improved efficiency in tetracene oligomers through spatially separated triplet pair states”为题发表于《自然-化学》(Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-021-00665-7)。张春峰教授、肖敏教授、马海波教授和李希友教授为本论文的共同通讯作者，博士生王志伟，解晓宇和刘和元博士为论文的共同第一作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00665-7


        文章来源：南京大学
        张春峰，南京大学物理学院教授，博士生导师。分别于2002年和2007年在复旦大学物理系获得学士和博士学位，期间2006年在奥地利林茨大学访问；2007年起在美国宾州州立大学工程系从事博士后科研工作，2010年起开始在南京大学物理学院任职，2015年在美国科罗拉多大学JILA研究所访学。长期从事二维电子光谱、瞬态磁光等超快光谱学方法研发，研究半导体及分子体系中光电转换的动力学机制。在Nature Energy, Nature Commun., JACS等期刊发表论文130余篇,引用5000余次。2016年获得江苏省杰出青年项目支持, 2019年获得国家自然科学基金委优秀青年基金支持。
        肖敏，男，1959年11月生，江苏人。1978-1982年在南京大学物理系就读。1982年通过CUSPEA项目赴美。1988年获美国德克萨斯大学物理学博士学位；1988-1990在MIT做博士后。2009年3月到南京大学工作，现任量子电子学与光学工程系主任。
       马海波，南京大学化学化工学院教授、博士生导师，长期从事强关联与复杂体系激发态的量子化学方法发展、程序开发及其应用研究。先后获德国洪堡学者奖学金（2007-2009）、国家自然科学基金优秀青年基金（2017）、中国化学会唐敖庆理论化学青年奖（2018）、教育部自然科学一等奖（2019，排名第4）等学术奖励和项目资助。