新发现可提高有机太阳能电池性能
虽然是有机太阳能电池–它们包含的材料，更便宜、更丰富的一个不断增长的市场，比那些用于典型的太阳能电池板–他们也倾向于将太阳光转换为电能比传统的太阳能电池效率较低，更环保。
现在，科学家们在能源材料的激发态现象的计算研究中心成员（c2sepem）新能源材料相关的基础科学中心在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室），解决了一个谜，可能导致效率的提高。
他们认为一个超快和高效的过程，产生的电荷载体的几种有机晶体中，这个日益流行的形式的太阳能电池的整体光的单个粒子的来源。
这一过程被称为“单线裂变”，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——有望迅速地将更多的阳光能量转化为电能而不是失去热能，从而大大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，如何解释这种反应只发生在几十飞秒（第二quadrillionths），在其他竞争的影响可以偷走他们的能量。他们的研究发表在12月29日的《物理评论快报》上。
“我们确实发现了一种新的机制，让我们来设计更好的材料，”Steven G. Louie说，导演c2sepem，DOE支持中心，包括来自伯克利实验室的研究人员；加利福尼亚大学、得克萨斯大学奥斯汀分校、乔治亚理工学院；洛杉矶。
Louie，该研究的共同领导者，也是伯克利实验室材料科学部高级学院的科学家和伯克利分校的物理学教授。c2sepem重点发展的理论、方法和软件，以帮助解释能源相关材料的复杂过程。
在分裂过程中，由一个负电荷的电子组成的复合粒子，和它的合作伙伴空穴，在物质原子结构中的一个空缺电子位置，其行为就像粒子携带正电荷一样，迅速转变成两个电子空穴对。这使材料中的电荷携带电位加倍，同时避免了热量损失。
“有很多事情我们还不了解这一过程的结晶材料，我们希望能揭示更多的物理基础，”Jeffrey B. Neaton说，对c2sepem副主任，与Louie共同领导的研究。
尼顿也是能源科学实验室副主任在伯克利实验室，伯克利实验室分子铸造厂的厂长，和伯克利分校物理学教授。我们开发的计算方法是非常有预见性的，我们用它来理解单线裂变的一种新的方法，它可以使我们设计材料在获取光时更有效。
Louie指出，过去的许多努力都集中在少数分子在本案中的材料–，结晶形成的并五苯，它是由氢和碳–了解这些外来的影响。但这种方法可能过于简化的作用驱动的单核裂变。
他说：“有许多理论努力试图了解发生了什么。”。
在这项最新研究中，研究团队开始与一个大型的结晶之整体结构来看，尤其是它的对称–重复的模式在其原子结构。
“这就像是看着它分子解释海洋，或看一个全波，”菲利佩说，一个大的Jornada，Sivan Refaely Abramson是这项研究的共同作者。都是博士后研究人员在伯克利实验室和加州伯克利也隶属于c2sepem。
“我们的方法直接捕捉整个晶体，”不管大小，他注意到。
研究小组在实验室的国家能源研究科学计算中心利用伯克利实验室的分子铸造和超级计算资源进行了计算，开发、建模和测试了裂变过程的新理论。
“我们相信，这些理论也可以应用于不同的材料，”Refaely Abramson说，“在这个意义上，理论是非常重要的。”之前的实验已经错过了一些关于晶体结构的单核裂变机制作用的重要线索。
在这个图像中，一个光学激发单重态（红色），具有电子-空穴对，分裂成一对自旋三重态（蓝色）。个别三胞胎质量动量–他们像朝相反的方向沿晶体波大小相等、方向相反的中心。灰色和白色球体分别代表碳原子和氢原子。（编辑：Florian Brown Altvater /伯克利实验室）
这项研究的结论是，为了有效地将这些电子空穴对加倍，取样的材料应该在晶体结构中显示一种特殊的对称性或重复的分子组合，就像房间的地板可以用相同的瓷砖显示许多简单重复的图案一样。
单重裂变过程的效率在很大程度上取决于在每一个重复的图案或“主题”在晶体中包装的分子的数量，并在一个特定类型的对称，其中有一个180度旋转和镜像这些图案。研究人员发现，这种对称性和效率之间的关系，使他们能够对整体裂变的效率作出强有力的预测。
这些预测只能是可能的，但是，如果样品中的电子-空穴对像移动整个水晶像在海浪波的对象。这种方法也使他们对分裂过程有了新的认识，以及新创建的对如何表现为相反方向传播的波。
研究人员指出，要使这些发现更符合现实世界的应用程序，还需要制定几个步骤。例如，在太阳能电池中，电子必须有效地从与空穴的配对中解放出来，以获得能量并改善太阳能电池板的性能。
了解材料中的载流子的倍增可能帮助研究人员更好地解释和工程师逆向过程，太–如用于手机显示屏，降低了载流子数的技术（这一过程称为三重融合），Neaton说。
Louie指出，这是组装研究的多学科小组，对c2sepem中心的一个重要方面，是在引进来解决一个几十年的老问题的新思考积分。
他说：“这是我们能够解决的第一个重要议题之一，现在它已经实现了。”。
一个与分子铸造都是能源部科学办公室用户设施。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。