一、?引言：傳統理論的突破者——激子倍增

光伏技術作為可再生能源的核心方向，其能量轉換效率始終是研究重點。在早期科學家的認知中，一個光子通常只能激發單個電子-空穴對（激子），對應單結硅基太陽電池的理論效率上限為33%[1]。然而，激子倍增（multiple exciton generation，MEG）現象[2,3]的發現打破了這一瓶頸——特定無機物量子點（如硫化鉛）或有機半導體材料（如并五苯）中，單個高能光子可產生多個激子，實現載流子倍增效應，理論上可將光伏效率提升至44%以上[4]。下面將介紹載流子倍增技術的核心原理——激子分裂。

二、激子倍增技術的核心——激子分裂

圖1?無機量子點(a)和有機物(b)的激子倍增原理

激子倍增是指單個高能光子激發MEG材料時產生一個高能激子，然后分裂成多個激子的過程。當高能光子（能量大于半導體材料帶隙的2倍）入射時，普通半導體材料將超過帶隙的多余能量轉化成熱量損失，而MEG材料可將多余能量轉化為額外的激子。產生激子倍增的前提條件如下：1.入射高能光子能量大于2倍的半導體材料帶隙；2.高能光子可以產生額外激子，并將激子分離、提取、收集。理解激子倍增的關鍵在于理解材料內部的相互作用。

以無機量子點為例（圖1a）。高能光子光照無機量子點后產生一個高能電子和一個空穴（過程Ⅰ），由于量子點內俄歇復合的抑制和庫侖相互作用的增強，高能電子不再以輻射聲子的形式冷卻，而是在激發第二個電子（產生第二個空穴）后弛豫到導帶底（過程Ⅱ），實現從一個激子到兩個激子的倍增[5]。關于量子點激子倍增的機理，迄今為止有3種理論：1.高能激子處于單激子態與多激子態形成的相干疊加態[6]。目前，并沒有證實該理論的實驗報道。2.?價帶電子間的庫侖相互作用可以產生一個虛擬的雙激子態，吸收一個光子可促使虛擬雙激子態向真實雙激子態過渡，從而產生了多重激子效應[7]。該理論的計算結果與部分實驗結果一致。3.高能激子擁有額外的動能，可以通過碰撞，將這部分能量轉化為額外的激子。盡管科研人員傾向于多重激子效應是半導體中俄歇復合的逆過程而非碰撞電離導致，但第一性原理的計算結果表明碰撞電離理論可以解釋多重激子效應[8]。

以有機材料為例（圖1b）。光照將分子激發到第一單線態，該分子將能量分享給鄰近的基態分子，二者形成一個中間態（TT態）[9]。經過一段時間后,?中間態激子失去相干性,?擴散形成兩個獨立的三線態激子(T1?態)。理解從單線態轉換到中間態的過程是揭示有機材料激子倍增的關鍵，也是被廣泛爭論的問題。關于從單線態到TT態的轉換過程，目前主要有兩種理論：1.激子首先由單線態轉變為電荷轉移態，再由電荷轉移態生成TT態（圖1b）[10]。2.單線態與TT態存在量子相干疊加關系，光激發單線態激子后，會與附近激子直接轉換為TT態（圖1b省去電荷轉移態）[11]。目前對于單線態到中間態的具體轉換過程，學術界仍存在分歧。

愛旭研發中心的工作人員對激子倍增技術在太陽電池提效方面也做了深入的研究，下期將對激子倍增技術在光伏領域的應用進行介紹，敬請期待！

參考文獻：

[1] W. Shockley and H. J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, J. Appl. Phys. 1961, 32, 510-519.

[2] R. J. Ellingson, M. C. Beard, J. C. Johnson et al. Highly Efficient Multiple Exciton Generation in Colloidal PbSe and PbS Quantum Dots, Nano Lett. 2005, 5, 865.

[3] M. C. Beard, K. P. Knutsen, P. R. Yu et al. Multiple Exciton Generation in Colloidal Silicon Nanocrystals, Nano Lett. 2007, 7 2506.

[4] M. C. Hanna, A. J. Nozik et al. Solar conversion efficiency of photovoltaic and photoelectrolysis cells with carrier multiplication absorbers, J. Appl. Phys., 2006, 100, 074510.

[5]?劉長菊，盧敏，蘇未安等，納米半導體中多重激子效應研究進展，物理學報，2018, 67, 2，027302.

[6] A. Shabaev, Al. L. Efros, A. J. Nozik, Multiexciton Generation by a Single Photon in Nanocrystals, Nano Lett. 2006, 6, 2856.

[7] V. I. Rupasov , V. I. Klimov, Carrier multiplication in semiconductor nanocrystals via intraband optical transitions involving virtual biexciton states, Phys. Rev. B 2007, 76, 125321.

[8] ?G. Allan, C. Delerue, Role of impact ionization in multiple exciton generation in PbSe nanocrystals, Phys. Rev. B 2006, 73, 205423.

[9]?張博，張春峰，李希友，單線態分裂的超快光譜學研究，物理學報，2015，64，9，094210.

[10] E. C. Greyson, J. Vura-Weis, J. Michl, Maximizing Singlet Fission in Organic Dimers: Theoretical Investigation of Triplet Yield in the Regime of Localized Excitation and Fast Coherent Electron Transfer, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 14168.

[11] W. L. Chan, M. Ligges, A. Jailaubekov et al. Observing the Multiexciton State in Singlet Fission and Ensuing Ultrafast Multielectron Transfer, Science, 2011, 334, 1541.

作者：愛旭研發中心