单线态裂变光伏技术：进展与前景展望

作者及发表信息
本文由Alexander J. Baldacchino（澳大利亚新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院）、Miles I. Collins（澳大利亚新南威尔士大学物理学院ARC激子科学卓越中心）、Michael P. Nielsen（新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院）、Timothy W. Schmidt（新南威尔士大学化学学院ARC激子科学卓越中心）、Dane R. McCamey（新南威尔士大学物理学院ARC激子科学卓越中心）及Murad J. Y. Tayebjee（新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院）共同撰写，于2022年5月11日发表在《Chemical Physics Reviews》期刊（卷3，文章编号021304）。

主题与背景
本文是一篇关于单线态裂变（Singlet Fission, SF）光伏技术的综述论文，系统梳理了SF在太阳能电池中的应用进展、材料要求、器件结构及未来发展方向。单线态裂变是一种多重激子生成过程，指有机发色团中高能单线态激子（Singlet Exciton）分裂为两个低能三线态激子（Triplet Exciton），其量子效率可接近200%。该过程能有效减少光伏电池中的热化损失，有望突破单结电池的热力学效率极限。

主要观点与论据

1. 单线态裂变的光物理机制与热力学优势
   SF的动力学过程受自旋允许规则支配，可在皮秒级时间内完成，显著快于其他能量损失机制。其核心能量条件为：单线态激子能量（E_S1）需至少为三线态激子能量（E_T1）的两倍（E_S1 ≥ 2E_T1）。通过SF，高能光子可生成两个激子，从而将光伏电池的理论效率上限从30%提升至45.9%（考虑吸热裂变）。本文通过热力学分析指出，传统单阈值光伏器件的效率受限于热化损失（高能光子能量浪费）和子带隙损失（低能光子未被吸收），而SF技术通过双重吸收阈值（E_g < E_c < E_S1和E_c > E_S1）可显著降低热化损失。

2. SF发色团与受体的材料要求

   • 发色团需满足的条件：高SF产率（>100%）、快速SF速率（以竞争其他衰变路径）、慢速三线态-三线态湮灭（Triplet-Triplet Annihilation, TTA）、快速三线态对（TT）解离、与受体能级匹配（E_T1 ≥ E_g）、高稳定性及吸收系数。
     
   • 受体材料需满足的条件：与发色团能级匹配、高效三线态激子转移机制（如Dexter能量转移或电荷转移）、低陷阱态密度及高效电荷提取能力。
     文中对比了四类SF发色团：
     
   • 并苯类（Acenes）：如并四苯（Tetracene）和并五苯（Pentacene），SF效率高但稳定性差，易氧化。
     
   • 苯并呋喃类（Benzofurans）：如DPIBF，可通过分子设计调控SF性能，但晶体结构敏感性高。
     
   • 苝类（Rylenes）：如苝二酰亚胺（PDI），具有优异的光稳定性，但SF速率较慢。
     
   • 类胡萝卜素（Carotenoids）：如玉米黄质（Zeaxanthin），SF速率极快（<70 fs），但需聚集态才能高效裂变。
     

3. SF光伏器件的分类与性能评估
   本文将SF器件分为五类，并总结了其性能验证方法：

   • 有机光伏器件（OPV）：如并五苯/C60异质结，通过多层结构减少激子扩散损失，内部量子效率（IQE）可达160%。
     
   • 量子点杂化器件：如并五苯/PbSe量子点结构，利用量子点能级可调性匹配三线态能量，最高效率达4.8%。
     
   • 染料敏化太阳能电池（DSSC）：如DPIBF/TiO2体系，通过ZrO2势垒层调控电荷注入速率，证实SF贡献。
     
   • 钙钛矿受体器件：虽未实现实际器件，但瞬态吸收光谱显示并五苯/钙钛矿界面存在高效电子转移。
     
   • 硅基器件：如并五苯/PbSe/非晶硅结构，通过量子点中介层减少界面复合，但效率仍需提升。
     

4. SF器件的表征技术

   • 量子效率法：通过外量子效率（EQE）或内量子效率（IQE）超过100%直接验证SF贡献。
     
   • 磁场依赖光谱：利用三线态对的自旋特性，通过磁场调控荧光（MPL）或光电流（MPC）变化，区分SF与激子转移路径。例如，并五苯器件的MPC与MPL信号反相关，证实三线态参与电荷生成。
     

科学意义与应用价值
本文系统总结了SF光伏技术的研究现状，指出其核心挑战在于材料稳定性、界面工程及器件结构优化。SF技术有望将硅基电池效率提升至35%以上，并延长器件寿命（如并四苯/硅电池寿命可增加14.9%）。未来研究方向包括开发高稳定性发色团（如苝类衍生物）、优化能量转移界面（如钙钛矿杂化结构）及探索新型器件架构（如叠层电池）。

亮点与创新
1. 全面梳理了SF材料的光物理特性与器件物理机制，提出了明确的材料设计准则。
2. 首次将磁场依赖光谱技术系统应用于SF器件表征，为区分SF贡献提供了普适性方法。
3. 对比了五类器件结构的优劣，指出量子点杂化和硅基器件是近期最具潜力的发展方向。

本文为SF光伏技术的实际应用提供了理论框架和实验指南，对推动高效太阳能电池开发具有重要参考价值。