I kampen mot klimatförändringarna är solenergi ett lovande alternativ till fossila bränslen.
Varje sekund tar jorden emot en enorm mängd energi från solen. Ändå fångar solceller upp endast en bråkdel av denna energi, begränsade av ett ”fysiskt tak” som tidigare verkade omöjligt att överskrida.
I en artikel publicerad i Journal of the American Chemical Society använde ett forskarteam under ledning av Kyushu University i Japan, i samarbete med Johannes Gutenberg University (JGU) Mainz i Tyskland, ett molybdenbaserat metallkomplex kallat ”spin-flip”-emitter för att utvinna multiplicerad energi från singletfission (SF) – en ”drömteknik” för ljusomvandling. Denna teknik höjer energiomvandlingseffektiviteten till cirka 130 %, vilket överskrider 100-procentsgränsen och öppnar nya möjligheter för solceller med högre prestanda.
För att föreställa sig hur en solcell genererar elektricitet kan man tänka sig en stafettlöpning bland små partiklar. Fotoner från solljuset träffar en halvledare och överför sin energi till elektroner, vilket aktiverar dem och driver en elektrisk ström.
Men ”löparna” i solljuset varierar i förmåga. Infraröda fotoner med lägre energi kan inte excitera elektroner, medan de med högre energi, som blått ljus, förlorar sitt överskott i form av värme. Som ett resultat kan solceller endast utnyttja ungefär en tredjedel av solljuset. Detta tak, känt som Shockley–Queisser-gränsen, har länge utmanat forskare.
”Vi har två huvudstrategier för att bryta igenom denna gräns”, säger Yoichi Sasaki, docent vid Kyushu-universitetets tekniska fakultet. ”Den ena är att omvandla infraröda fotoner med lägre energi till synliga fotoner med högre energi. Den andra, som vi utforskar här, är att använda SF för att generera två excitoner från en enda excitonfoton.”
Normalt kan en foton generera högst en spin-singlet-exciton efter elektronisk excitation. SF kan dela upp denna högenergiska singlet-exciton i två spin-triplet-excitoner med lägre energi, vilket teoretiskt sett fördubblar energin. Även om vissa organiska halvledare som tetracen uppvisar denna process, är det fortfarande en utmaning att fånga de SF-genererade excitonerna.
”Energin kan lätt ’stulas’ av en mekanism som kallas Förster-resonansenergiöverföring (FRET) innan multiplikationen sker”, förklarar Sasaki. ”Vi behövde därför en energiacceptor som selektivt fångar de multiplicerade triplet-excitonerna efter fissionen.”
Teamet vände sig till metallkomplex – molekyler vars strukturer kan utformas flexibelt – och upptäckte att en molybdenbaserad ”spin-flip”-emitter fungerar som en idealisk uppsamlare. I sådana molekyler vänder en elektron sin spinn under absorption eller emission av nära-infrarött ljus, vilket gör det möjligt för systemet att ta emot den tripletenergi som produceras i SF.
Genom att noggrant justera energinivåerna kunde forskarna undertrycka den slösaktiga FRET-processen, vilket gjorde det möjligt att selektivt extrahera de multiplicerade excitonerna från SF.
”Vi hade inte kunnat nå denna punkt utan Heinze-gruppen från JGU Mainz”, säger Sasaki. Adrian Sauer, en doktorand från gruppen som besökte Kyushu University på utbyte och artikelns andra författare, uppmärksammade teamet på ett material som länge studerats där, vilket ledde till samarbetet.
Genom att para ihop detta komplex med tetracenbaserade material i lösning lyckades teamet skörda energi och uppnådde kvantutbyten på cirka 130 %, vilket innebär att ungefär 1,3 molybdenbaserade metallkomplex exciterades per absorberad foton. Detta överskrider den konventionella gränsen på 100 %, vilket indikerar att systemet genererade och skördade fler energibärare än de fotoner som mottogs.
Detta arbete etablerar en ny designstrategi för excitonförstärkning, även om teamet påpekar att de nuvarande experimenten fortfarande befinner sig i proof-of-concept-stadiet. Framöver planerar de att föra samman de två typerna av material i fast tillstånd, med målet att uppnå effektiv energiöverföring och så småningom integrera dem i fungerande solceller.
Samtidigt hoppas de att studien ska inspirera till vidare forskning vid skärningspunkten mellan singletfission och metallkomplex, med potentiella tillämpningar som sträcker sig från solceller och lysdioder till nästa generations kvantteknik.
Publikationsuppgifter
Exploring Spin-State Selective Harvesting Pathways from Singlet Fission Dimers to a Near-Infrared Emissive Spin-Flip Emitter, Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.5c20500
