地球能接收到巨大的太陽能量，但現有太陽能電池只能捕獲其中一小部分，能量轉換效率長期受限。日本九州大學與德國約翰內斯·古騰堡大學科研團隊合作，開發出一種基于鉬的金屬復合物，即“自旋翻轉發射體”，并通過單重態裂變(SF)實現了光能倍增，使量子產率達到約130%，突破了傳統100%的上限。相關論文發表在最新一期《美國化學會期刊》上，為開發高性能太陽能電池帶來了新可能。
研究人員利用鉬基發射體成功捕獲了單線態裂變放大激子，實現了130%的量子產率，并開辟了超越太陽能電池效率極限的道路。圖片來源：日本東京大學
太陽能電池發電的過程，就像一場微觀接力賽。陽光中的光子撞擊半導體，將能量傳遞給電子，使其被激發并產生電流。通常，一個光子在半導體中最多只能激發一個電子形成一個激子，而光子的能力參差不齊。低能量的紅外光子無法激發電子，高能量的光子如藍光，其多余能量則以熱的形式浪費掉。因此，太陽能電池通常只能利用約1/3的陽光。這一上限被稱為“肖克利—奎瑟極限”，長期困擾著科學家。
通過SF過程，高能單重態激子可被分裂為兩個低能三重態激子，理論上將能量翻倍。然而，在實際應用中，倍增產生的激子很容易通過一種稱為“Förster共振能量轉移”(FRET)的機制被耗散。為解決這一難題，研究人員將SF材料與鉬基自旋翻轉復合物結合，通過精確調控能級，實現對倍增激子的選擇性捕獲，從而抑制能量損失。
這項技術使他們首次在實驗室條件下實現了超過100%的量子產率。團隊在溶液中將四苯并蒽材料與鉬基復合物配對，量子產率達到約130%，即每吸收一個光子，約1.3個鉬基復合物被激發，顯示出能量收集能力超越傳統上限。
目前，該研究仍處于概念驗證階段。團隊計劃在固體中整合兩類材料，實現更高效的能量傳遞，并最終應用于實際太陽能電池。此外，這一技術策略也有望推動發光二極管和下一代量子器件的發展，為光能高效利用和可再生能源技術開辟新思路。
