传统太阳能电池的效率可大幅度提高，一项新的研究探讨了太阳能转换机制，项目领导是得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）化学家朱晓阳（Xiaoyang Zhu）。朱晓阳和他的研究小组发现，有可能使每一个阳光光子产生的电子数量增加一倍，只需使用一种有机塑料半导体材料。
“塑料半导体太阳能电池的生产具有很大的优势，其中之一就是成本低，”化学教授朱晓阳说。“结合潜力巨大的分子设计和合成，我们的发现打开了一扇大门，可以带来一种令人兴奋的新方法，进行太阳能转换，可产生高得多的效率。”
朱晓阳和他的小组发表了他们的开创性发现，就在12月16日的《科学》上，题为《观察多激子状态在单线态裂变中确保超快多电子转移》（Observing the Multiexciton State in Singlet Fission and Ensuing Ultrafast Multielectron Transfer）今天使用的硅太阳能电池，最大理论效率大约为31％，因为照射到电池上的大部分太阳能量都太高，难以转化为可用的电力。这种能量在形式上是“热电子”，会散发为热量。捕获热电子有可能提高效率，使太阳能到电力的转换效率达到66％。
朱晓阳和他的研究小组先前曾表明，可以捕获这些热电子，只需要使用半导体纳米晶体。他们在2010年的《科学》上发表了那项研究，但朱晓阳说，靠那项研究，要实际实施一项可行的技术，还面临很多挑战。
“一件事情是，”朱晓阳说，“要达到66％的效率，只有使用高度集中的阳光，不能只用原始自然阳光，就是通常照射到太阳能电池板上的阳光。这就会产生一些问题，因为要考虑设计一种新材料或设备。”
为了规避这个问题，朱晓阳和他的小组已经找到一种替代方法。他们发现，一个光子会产生一个黑暗的量子“阴影状态”，随后，可以从中有效地捕捉到两个电子，以产生更多的能量，这要采用半导体并五苯（pentacene）。
朱晓阳说，利用这种机制，可以把太阳能电池效率提高到44％，不需要聚集太阳光束，这会促进更广泛地使用太阳能技术。
这一研究小组牵头的是陈炜伦（Wai-lun Chan），他是朱晓阳小组的博士后研究员，协助人员还有博士后研究员曼努埃尔·里格斯（Manuel Ligges），阿斯卡特？金劳柏克夫（Askat Jailaubekov），罗兰·凯克（Loren Kaake）和路易斯·马佳·阿维拉（Luis Miaja-Avila）帮助。这项研究的支持来自国家科学基金会和能源部。
这项发现背后的科学
并五苯半导体吸收一个光子，会产生一个激发态电子-空穴偶，称为激子（exciton）。这一激子依靠量子力学，耦合一个阴暗的“阴影状态”，称为多激子（multiexciton）。这种阴影状态可能是两个电子最有效的来源，只需转移到一种电子受体材料，如富勒烯（fullerene），就用于这项研究。利用这种阴影状态，产生双倍的电子，可以提高太阳能电池的效率，使达到44％。
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