用于探测下一代太阳能电池的超快激光器

　　P3HT的实验方法和静态吸收光谱。a 时间分辨软 X 射线光谱的实验装置。15 fs 可见泵浦脉冲激发 P3HT 中的 π→π* 跃迁，时间延迟的阿秒软 X 射线脉冲探测碳和硫的吸收边缘。b 本工作中使用的 P3HT 样品的可见吸收光谱，以及以 P3HT 中 π→π* 共振的最大值为中心的泵浦脉冲光谱。c 典型的软 X 射线光谱延伸至 ~330 eV(黑线)。红线是 P3HT 样品的 X 射线吸收光谱，硫 L1,2,3和碳 K 边缘的吸收特征同时解析。学分：自然通讯(2022 年)。DOI：10.1038/s41467-022-31008-w

　　研究人员使用超快激光和 X 射线引发反应，然后测量它在飞秒(万亿分之一秒)内引起的变化。追踪了光照到太阳能电池后的最初几分之一秒，从而深入了解它们如何发电。探索将光转化为电能的过程的最初时刻可以帮助研究人员改进新的太阳能电池，使它们能够更有效地产生能量。

　　现在，研究人员已经使用该技术研究了有机光伏 (OPV) 材料，这些材料可以收集太阳光线以产生能量或分解水。

　　OPV 材料正在深入研究，因为它们可以提供更便宜的可再生能源。然而，由于受光激发的电子的复杂相互作用，目前使用的许多材料不稳定或效率低下。

　　对这些电子的快速相互作用进行更深入的研究，例如发表在《自然通讯》上的论文，该论文将快速时间分辨率与定位于原子的测量相结合，为改进太阳能电池和催化剂的方法提供了有价值的见解。

更高效的设备

　　帝国理工学院物理系的乔恩·马兰戈斯教授说：“OPV 是硅基光伏的廉价且灵活的替代品，因此在未来太阳能发电基础设施中的应用前景十分诱人。

　　“这项工作展示了我们新的时间分辨 X 射线技术的力量，该技术现在可以应用于更广泛的材料，并可能提供制造更高效 OPV 设备所需的理解。”

　　该团队探索了太阳能转换的第一步——光照射引起的材料反应。他们首先向材料发射持续 15 飞秒的激光脉冲以激发反应。随后，他们使用了持续时间仅为阿秒级(不到十亿分之一秒)的 X 射线脉冲，测量了材料的最终变化。

快速发展的状态

　　该团队首次观察到当电子被击出位置时材料初始状态的直接 X 射线特征。这会产生一个电子和“空穴”对，可以穿过材料。

　　这种初始状态在 50 飞秒内迅速演变成一个新的、更稳定的状态。纽卡斯尔大学 Tom Penfold 教授的计算与观察结果非常吻合，表明初始状态取决于材料中分子链之间的距离。

　　帝国理工学院化学系的 Artem Bakulin 博士说：“时间分辨 X 射线方法对光激发后直接发生的初始电子动力学的敏感性为深入了解广泛的光物理学铺平了道路。范围内的有机光电和其他材料。”

　　该团队现在计划探索其他有机半导体材料中的超快电荷动力学，包括最近发现的使用不同分子作为电子受体的材料，这些材料显示出增强的 OPV 效率。