超快相干光电转换的探索

Recent researches suggest a significant contribution of quantum coherence to the high internal quantum efficiency of solar conversion in photosynthesis complex. Quantum coherence plays a key role in the ultrafast and highly-efficient interfacial electronic energy transfer between the molecules in the light harvesting systems and reactions centers. . In this project, we propose to investigate quantum coherence in photoelectric conversion processes in artificial materials. The aim of this proposal is to study the basic principles that can aid to design quantum-coherent solar conversion devices with potential of beating the Shockley-Queisser limit. With this purpose, we''ll try to push the rate of interfacial energy and charge transfer to the scale of sub-picosecond with quantum coherence. This efficient interfacial transfer can eliminate the energy loss associated to the slower processes like electron-phonon interaction and Auger recombination that lead to the Shockley-Queisser limit. We''ll perform study with the technique of ultrafast quantum coherent spectroscopy. With two representative systems of nanocrystal-sensitized solar cells and polymer solar cells, we''ll identify the quantum coherent effect in the processes of hot-electron transfer and intrachain exciton migration, respectively. With the new acquired knowledge, we''ll try to find a quantum device solution with the precisely-designed hybrid nano- and micro-structures that can manipulate the electrons and photons simultaneously to optimize the coherent transport processes. The quantum coherent solar conversion devices can improve the transport efficiency and reduce the thermal loss, and thus they will be promising to beat the limit of conversion efficiency.

最近研究发现,量子相干性可极大提高界面间能量转移效率,是光合作用体系光电转换内量子效率极高的关键原因。本项目将尝试将量子相干光电转换的概念引入到人工材料中，利用量子相干性提高转换效率，探索突破Shockley-Queisser极限的基本原理，寻求实现量子光电转换的器件方案。项目将利用相干性优化界面能量电荷转移，提高速率至亚皮秒时间尺度，以克服皮秒或更长时间尺度的电声子作用、俄歇复合等引起Shockley-Queisser极限的物理过程。为此，项目将采用超快相干光谱学方法，在纳晶敏化电池和聚合物电池两类体系内，分别探索热电子转移和激子迁移过程中的超快量子相干特征，寻求通过微纳结构设计电子能级、调控光子吸收、优化相干转移的量子相干光电转换器件的设计方案。量子相干光电转换的实现，将克服电声子作用引起的热损失，突破Shockley-Queisser极限，全面提高转换效率,发展量子绿色能源。

本项目主要探索在光电转换过程中突破现有Shockley-Queisser效率极限的超快光学过程，发展超快量子相干光学方法研究光电转换电荷分离等过程中量子相干特性起到的作用。在计划执行期间，基本按申请书所列的研究目标展开科研工作，并结合国内外最新进展以及特别项目中的发现单线态分裂(Singlet fission)作了很多拓展性研究。特定有机材料中的单态分裂过程可将光激发产生的单个自旋单态激子转变成一对自旋三态激子，原则上能实现200%光电转换量子效率，极大的提高光电转换的效率，突破现有单节太阳能电池效率的理论极限，因而备受学界关注。我们利用探索了并苯晶体中单线态分裂的机制，确认了单线态分裂过程激子非局域性的重要作用，发展了二维光谱，并观察到单线态分裂过程中的量子相干特性。.主要成果包括：.1)在国际上，首次成功测量了并四苯晶体中单线态分裂产生的成对三线态激子对之间的磁偶极子相互作用，揭示了单线态分裂所产生的一对三态激子距离较远，明确提出晶体中单线态分裂涉及到多个分子，传统物理模型需要修正，为最终揭示单线态分裂机制提供了关键信息，对设计可实用的单线态分裂材料具有关键的指导意义[Nature Commun.6, 8602(2015)]；.2)在国际上，首次报道单线态分裂引起的极强的三阶光学非线性，确认单线态分裂过程中多激子暗态的存在，非线性的响应时间可快到皮秒量级。这一发现经一系列对比实验确认，利用这非线性光学响应，研究组成功演示单态裂分光开关[Angewandte Chemie International Edition 54, 6222(2015)]；.3)采用奇异值分解的方法，从宽带瞬态吸收光谱中提取出并四苯材料单线态分裂中单线态和三线态激子的动力学行为，并且确认了激子分裂速率非线性依赖于激子浓度，提出了单线态分裂可能涉及到激子之间的量子相干过程，并在最近的二维光谱实验中发现单线态激子和三线态激子对暗态之间的量子相干[Journal of Physical Chemistry Letters 5， 3462(2014)]；.4)在建设超快二维相干光谱的初期，利用超快四波混频技术，观测到II型半导体量子点中界面电荷转移激子引起的宽带三阶光学非线性[Advanced Materials 25, 4397(2013)].