直接观察光伏能量传输

激子扩散试验的水晶面和位置。A：bc面微米薄的水晶，具有不同的扩散方向。PL模式显示的是在薄水晶中以及水晶下面的激子扩散效应。B：清洁bc面。C：b轴不平行于表面的水晶面，产生不对称的PL模式。来源：利哈伊大学

利哈伊大学（Lehigh University）的两个物理学家开发出一种成像技术，可以直接观察到发光激子（excitons）在一种新材料中的漫射，这种新材料正在探索，因为它们具有非凡的电子特性。这就是所谓的红荧烯（rubrene），是一种新一代有机半导体单晶。

激子是由光产生的，它在使用塑料太阳能电池收集太阳能方面发挥核心作用。这项成果的取得者是物理学教授伊凡•比阿基奥（Ivan Biaggio）和博士候选人帕维尔•尔克昕（Pavel Irkhin），这项成果代表着先进的成像技术首次用于证明，携带能量的激子在有机晶体中的远距离扩散。

比阿基奥说，理解激子力学的方法之一，是把一杯牛奶倒在地板上。牛奶从落地点向各个方向扩散。牛奶能扩散多远，取决于它落在上面的表面的类型。现在想象一下，牛奶被替换为微粒状的一束能源，而地板被替换为有序排列的有机分子。

比阿基奥的研究小组利用聚焦的激光束创造出这种粒子，也就是激子，他们是在有机分子制成的水晶中创造的。他们跟踪激子的运动，这种运动距离小于一根头发大小，他们直接拍摄到激子发光的照片。与打翻的牛奶不同，激子的扩散只朝着一个方向，就是与分子的特定排列相应的方向。

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对于塑料太阳能电池技术而言，理解激子扩散是关键的，在其中，光的吸收产生激子，而不是直接诱发电流，就像在最常用的硅系统中那样。

激子在塑料太阳能电池中产生以后，会朝着专门设计的界面扩散，在那里，它们会激发电子进入外部电路，形成电子的流动，就是我们所说的电流。这个扩散过程是限制塑料太阳能电池效率的技术挑战之一。

比阿基奥说：“这是第一次，分子材料中的激子在室温下被直接观察到，我们相信，我们已经证明的技术其他研究人员将会利用，以更好地理解激子扩散以及它在塑料太阳能电池中形成的瓶颈。”

我们什么时候会有廉价高效的塑料太阳能电池？世界各地研究人员的目标就是提高激子扩散长度，直到它们变得和光的吸收一样长，就是在这一点，阳光可以最有效地收集，并转化为能量。

尔克昕和比阿基奥的文章发表在杂志《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

这项研究受到利哈伊大学的学院创新基金（Faculty Innovation Grant）的支持，这个基金提供资源，开发新思路，演示研究重要问题的新方法。

得益于扩散激子的直接成像，尔克昕和比阿基奥能够精确测量它们的扩散长度。他们发现，这个长度在某一特定方向非常高，达到的数值，比在目前使用的塑料太阳能电池中高数百倍。这是第一次，在分子材料中直接观察室温下的激子，而且都认为，广泛采用尔克昕和比阿基奥开发的技术，将带来该领域的重大进展。

比阿基奥说：“重要的是，物理学家探索了这一机制背后最根本的现象，使太阳能的收集可以采用廉价的有机材料。有机物有大量未开发的潜力，我们在红荧烯中观察到的非常有效的激子扩散，可能为新的思路和技术奠定基础，以开发比以前更有效的塑料太阳能电池。”

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