在全球应对气候变化的进程中，太阳能被视为替代化石燃料的关键技术之一。地球每秒从太阳接收的能量极其巨大，但现有太阳能电池只能利用其中很小一部分，并受到一个长期被视为难以逾越的“物理上限”约束。

日本九州大学牵头、与德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学（JGU）合作的研究团队，在《美国化学会杂志》上发表论文，展示了一种利用金属配合物“自旋翻转”机制的新方法。他们采用一种基于钼的金属配合物作为“自旋翻转”发射体，从单线态裂变（singlet fission, SF）过程中收集倍增的激子能量。这一被称为光能转换“梦想技术”的方案，将能量转换效率提升至约 130%，突破了传统意义上的 100% 上限，为高效率太阳能电池提供了新的设计方向。

从原理上看，太阳能电池的工作过程可以类比为微观粒子之间的接力赛：太阳光中的光子撞击半导体材料，将能量传递给电子，使其跃迁到高能态，从而产生电流。然而，光子能量并不相同。能量较低的红外光子往往不足以激发电子，而能量较高的光子（如蓝光）则会在激发后以热的形式损失多余能量。结果是，传统太阳能电池只能有效利用大约三分之一的太阳光，这一理论极限被称为肖克利–奎塞极限，长期以来困扰着光伏研究。

“要突破这一极限，目前主要有两条思路。”九州大学工学院副教授佐佐木洋一解释说，“一是把低能量的红外光子转换成高能量的可见光子；另一条路径，也是我们这项工作所关注的，就是利用单线态裂变（SF），从一个单线态激子产生两个激子。”

在常规情况下，一个光子最多只能在材料中产生一个自旋单态激子。单线态裂变则可以将一个高能量的单线态激子分裂成两个能量较低的自旋三重态激子，从而在理论上实现能量“翻倍”。一些有机半导体（例如四苯并蒽）已经被证实可以发生这一过程，但如何高效“抓住”由 SF 产生的这些三重态激子，仍然是技术难点。

“在倍增发生之前，能量很容易被一种叫作福斯特共振能量转移（FRET）的机制抢走。”佐佐木指出，“因此，我们需要一种能选择性接收裂变后三重态激子能量的受体分子。”

研究团队将目光投向结构可高度设计的金属配合物，并发现基于钼的“自旋翻转”发射体是理想的能量接收者。在这种金属配合物中，电子在吸收或发射近红外光时会发生自旋翻转，使体系能够有效接受由 SF 产生的三重态激子能量。

通过精确调控这些金属配合物的能级，研究人员成功抑制了会浪费能量的 FRET 过程，使来自 SF 的倍增激子能量能够被选择性地提取和利用。

“如果没有美因茨 JGU Heinze 团队的参与，我们不可能取得这样的结果。”佐佐木表示。论文第二作者、来自 Heinze 团队的访问研究生 Adrian Sauer 将九州大学团队的注意力引向了美因茨长期研究的一类材料，从而促成了这次跨国合作。

在实验中，研究人员将该钼基金属配合物与基于四苯并蒽的材料溶液组合使用，成功实现了能量收集，获得约 130% 的量子产率。这意味着每吸收一个光子，平均可以激发出约 1.3 个钼基金属配合物分子。这个数值超过了传统意义上的 100% 极限，表明系统产生并成功收集的能量载体数量已经超过了入射光子的数量。

这项研究提出了一种全新的激子放大设计策略。尽管目前仍处于概念验证阶段，团队已经在规划下一步工作：将这两类材料整合到固态体系中，以期实现更高效的能量转移，并最终将这一机制嵌入实际的太阳能电池器件。

研究人员同时希望，这一成果能够推动更多关于单线态裂变与金属配合物交叉领域的探索，潜在应用不仅包括高效太阳能电池，还可能扩展到发光二极管以及新一代量子技术等方向。