科技日报记者 张佳欣
地球能接收到巨大的太阳能量，但现有太阳能电池只能捕获其中一小部分，能量转换效率长期受限。日本九州大学与德国约翰内斯·古腾堡大学科研团队合作，开发出一种基于钼的金属复合物，即“自旋翻转发射体”，并通过单重态裂变（SF）实现了光能倍增，使量子产率达到约130%，突破了传统100%的上限。相关论文发表在最新一期《美国化学会期刊》上，为开发高性能太阳能电池带来了新可能。
太阳能电池发电的过程，就像一场微观接力赛。阳光中的光子撞击半导体，将能量传递给电子，使其被激发并产生电流。通常，一个光子在半导体中最多只能激发一个电子形成一个激子，而光子的能力参差不齐。低能量的红外光子无法激发电子，高能量的光子如蓝光，其多余能量则以热的形式浪费掉。因此，太阳能电池通常只能利用约1/3的阳光。这一上限被称为“肖克利—奎瑟极限”，长期困扰着科学家。
通过SF过程，高能单重态激子可被分裂为两个低能三重态激子，理论上将能量翻倍。然而，在实际应用中，倍增产生的激子很容易通过一种称为“Förster共振能量转移”（FRET）的机制被耗散。为解决这一难题，研究人员将SF材料与钼基自旋翻转复合物结合，通过精确调控能级，实现对倍增激子的选择性捕获，从而抑制能量损失。
这项技术使他们首次在实验室条件下实现了超过100%的量子产率。团队在溶液中将四苯并蒽材料与钼基复合物配对，量子产率达到约130%，即每吸收一个光子，约1.3个钼基复合物被激发，显示出能量收集能力超越传统上限。
目前，该研究仍处于概念验证阶段。团队计划在固体中整合两类材料，实现更高效的能量传递，并最终应用于实际太阳能电池。此外，这一技术策略也有望推动发光二极管和下一代量子器件的发展，为光能高效利用和可再生能源技术开辟新思路。
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