大阪大学发现量子点-分子杂化态实现高效单重态裂分，为突破太阳能电池效率极限开辟新路径
B910化工消息：5月25日消息，日本大阪大学产业科学研究所（SANKEN）坂本匡纪（Masanori Sakamoto）课题组在《自然·光子学》（Nature Photonics）发表论文，报道了一种通过分子-量子点轨道杂化机制实现高效单重态裂分（Singlet Fission）的新策略，为突破太阳能电池的Shockley-Queisser理论效率极限提供了全新途径。
单重态裂分是一种光物理过程，一个光子吸收后产生两个激发态，理论上可使太阳能电池在相同光照条件下产生更多电能。然而，高效的单重态裂分通常需要额外的能量驱动，且过程效率低、难以精确控制，这成为该技术走向实用的主要障碍。
研究团队将四并苯（tetracene）分子与半导体量子点结合，发现两者界面形成了特殊的杂化电子态。第一作者Jie Zhang解释道，这种杂化态在能量传输过程中充当中间桥梁，使原本困难的吸热裂分过程得以高效进行——一个高能激发态被分裂为两个较低能量的激发态，效率接近理论最大值。
超快激光测量和理论计算表明，碲化镉（CdTe）量子点产生的效果尤为显著，实现了接近理论最大效率的单重态裂分。研究进一步揭示，效率提升不仅源于分子的空间排列，更关键的是分子与量子点之间的电子相互作用本身。
该研究的核心创新在于首次证明了量子点-分子轨道杂化可以作为驱动单重态裂分的有效机制。传统方法依赖特定的分子结构设计来实现裂分，而量子点杂化策略为材料选择提供了更广阔的空间。
从产业前景看，当前商用硅基太阳能电池的效率已接近其理论极限（约29%），进一步突破需要全新的光电转换机制。单重态裂分可将理论效率上限提升至约44%，是下一代超高效率太阳能电池的候选技术之一。坂本表示，该机制为设计未来高效光能转换材料提供了新思路，后续研究将探索其他分子-量子点组合体系的适用性。
该研究由大阪大学主导，京都大学、上海大学、庆应义塾大学、芬兰坦佩雷大学和立命馆大学共同参与。论文DOI: 10.1038/s41566-026-01908-0，2026年4月29日在线发表。 （来源：Phys.org）
单重态裂分是一种光物理过程，一个光子吸收后产生两个激发态，理论上可使太阳能电池在相同光照条件下产生更多电能。然而，高效的单重态裂分通常需要额外的能量驱动，且过程效率低、难以精确控制，这成为该技术走向实用的主要障碍。
研究团队将四并苯（tetracene）分子与半导体量子点结合，发现两者界面形成了特殊的杂化电子态。第一作者Jie Zhang解释道，这种杂化态在能量传输过程中充当中间桥梁，使原本困难的吸热裂分过程得以高效进行——一个高能激发态被分裂为两个较低能量的激发态，效率接近理论最大值。
超快激光测量和理论计算表明，碲化镉（CdTe）量子点产生的效果尤为显著，实现了接近理论最大效率的单重态裂分。研究进一步揭示，效率提升不仅源于分子的空间排列，更关键的是分子与量子点之间的电子相互作用本身。
该研究的核心创新在于首次证明了量子点-分子轨道杂化可以作为驱动单重态裂分的有效机制。传统方法依赖特定的分子结构设计来实现裂分，而量子点杂化策略为材料选择提供了更广阔的空间。
从产业前景看，当前商用硅基太阳能电池的效率已接近其理论极限（约29%），进一步突破需要全新的光电转换机制。单重态裂分可将理论效率上限提升至约44%，是下一代超高效率太阳能电池的候选技术之一。坂本表示，该机制为设计未来高效光能转换材料提供了新思路，后续研究将探索其他分子-量子点组合体系的适用性。
该研究由大阪大学主导，京都大学、上海大学、庆应义塾大学、芬兰坦佩雷大学和立命馆大学共同参与。论文DOI: 10.1038/s41566-026-01908-0，2026年4月29日在线发表。 （来源：Phys.org）
