科学家在一项超快光谱实验中发现，电子能够以接近自然允许的最快速度跨越太阳能材料界面完成转移。研究团队表示，这一结果对太阳能材料领域长期沿用的部分设计思路提出挑战，并可能为提升光能采集与电能转换效率提供新的思路。相关论文已发表在《自然通讯》（Nature Communications）。

研究由剑桥大学团队完成。实验聚焦于持续仅18飞秒的超短时间窗口（不到20千万亿分之一秒），研究人员在这一时间尺度上捕捉到电荷分离过程，并指出该过程发生在单个分子振动的时间尺度内。

论文第一作者、剑桥大学圣约翰学院研究员Pratyush Ghosh博士称，团队刻意构建了一个按传统理论不应出现如此快速电荷转移的体系，因此观测结果“令人惊讶”。他表示，实验中电子并非以随机扩散方式缓慢移动，而是以相干的方式被“发射”穿越界面，分子振动在其中起到主动驱动作用。

在研究人员的描述中，飞秒是千万亿分之一秒；在这一尺度上，分子内部原子处于物理振动状态。团队称，他们观察到电荷转移速度与分子自身运动节奏同样快，相当于“用与原子相同的时钟”在观察电子迁移。

该研究涉及太阳能研究中常见的设计权衡。此前观点通常认为，实现超快电荷转移需要材料之间存在较大的能量差异以及更强的电子耦合，但这些特性可能通过限制电压、增加能量损失等方式影响效率。

为检验这种权衡是否不可避免，团队构建了一个“弱相互作用”体系：将一个聚合物供体与一个非富勒烯受体并排放置，使两者几乎没有能量偏移且相互作用极小。按研究人员说法，这些条件本应显著减慢电荷转移速度。然而实验显示，电子仍在18飞秒内跨越界面，速度快于许多此前报道的有机体系，并处于原子运动的自然时间尺度上。

超快激光测量结果显示，光被吸收后，聚合物会以特定的高频振动方式运动；这些振动会混合电子态，从而将电子“弹射”过边界，形成定向的弹道式运动，而非缓慢的随机扩散。研究还观察到，电子到达受体分子后会触发新的相干振动，研究人员称这类特征在有机材料中较为罕见。

Ghosh表示，这些结果表明，电荷分离的极限速度并不只由静态电子结构决定，还与分子振动方式有关，并可能带来新的材料设计原则。

研究团队指出，超快电荷分离是有机太阳能电池、光电探测器以及用于制备清洁氢燃料的光催化装置等系统的关键基础过程，类似机制也存在于自然光合作用中。剑桥卡文迪许实验室物理学教授、圣约翰学院前研究员、论文合著者Akshay Rao教授表示，未来材料设计或可从“抑制分子运动”转向“利用分子运动”，将振动从限制因素转变为可用工具。