来源:phys.org; 中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译
美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)的科学家们已成功获悉一粒光子在一皮秒内撞击太阳能电池所并产生能量的全过程,他们也首次对其电荷载子与原子运动作出了物理描述。
束缚电子与电子空穴对的产生与分解,也就是激子,是太阳能和光伏技术的重要过程,但是要贯穿其初始动力学与电子相干性却还有较大挑战。
采用了太赫兹光谱区内的时间分辨低频光谱,研究人员们对一种新型的光伏材料——有机金属卤化物钙钛矿(organometal halide perovskites)的光致激发进行了研究。有机金属化合物是进行光捕获与电子传输设备的神奇材料,它融合了两个世界的精华所在——既具有传统无机光伏设备才有的高能转换性,也具有有机光伏材料的成本与制造经济实惠性。
“这些设备崭新、独特,一粒光子,如何转化为电荷载子,如何协同运动并产生能量转换的机制还鲜为人知,但在太阳能和光伏技术中,这却是最为基础的过程,”爱荷华州立大学(Iowa State University)物理学副教授同时也是埃姆斯实验室科学家王吉刚(Jigang Wang音译)表示,“为什么这一材料如此特殊?在科学界一直以来这都是一个巨大的问题,因此也引起了众多的研究热和论文发表热。”
埃姆斯实验室的研究人员想了解的不仅仅是该材料中束缚电子与电子空穴对,也就是激子,如何进行产生与分解,还想进一步了解这一过程中的量子通道与时间间隔。
“如果你观察一些自然现象,比如在光合作用中,某些生物分子中也存在非常高效的过程,它们间的连贯性与相干性也非常高效。而我们在激光的人造系统中也看到了类似的情况;激光呈固定波型进行振荡,”王教授继续解释到,“如果我们能测量出这些材料中电荷传输和能量迁移的存储力,我们就可以更好的理解它和控制它,这样才有潜能从大自然母亲那里学到如何去提高它。”
用于测量材料中电状态的传统方法是使用万用表,而这一方法对于测量激子毫无用处,因为激子是电子中性粒子,无零压电流。超快太赫兹光谱技术所提供的非接触性探测技术可以使研究人员追踪其内部结构,并对其光子向激子转化的过程进行量化,其时间分辨率甚至可以高于一皮秒。
王教授充分肯定了埃姆斯实验室研究人员在众多领域中的专业贡献和巨大发现。“专家们通力合作,其研究领域包括材料设计与制备、电脑计算理论、光谱理论等等,是成功实现本研究的基础。”他继续表示,“正是因为在一个地方能够汇集这么多专业人士,才让埃姆斯实验室在光子材料研究领域成为最前沿、最先进的实验室。”
他们在《自然通讯》(Nature Communications)上最新发表的论文中对此研究有更进一步的探讨,其标题为“有机金属卤化物钙钛矿中的激子里德伯态与电子相干的超快太赫兹快照”("Ultrafast terahertz snapshots of excitonic Rydberg states and electronic coherence in an organometal halide perovskite")。论文作者如下:Liang Luo, Long Men, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, Joseph Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, 以及 Jigang Wang。