超快电荷转移：揭开太阳能电池染料中电子运动的奥秘

无论是在太阳能电池还是在人眼中，当某些分子吸收光时，内部的电子会从基态跃迁到更高能量的激发态。这导致能量和电荷的传输，进而引起电荷分离，最终产生电能。

由德国奥尔登堡大学超快纳米光学研究小组的安东尼塔·德·西奥博士和克里斯托夫·利瑙教授领导的国际科学家团队，现在他们已经观察到这一过程在一个复杂的染料分子中的最早步骤。正如研究人员在自然化学上报告说，分子内部原子核的高频振动在光诱导的电荷转移中起着关键作用。

他们的实验表明，这些振动对电子施加的力启动了电荷传输，而周围溶剂中的过程，之前被认为是电荷转移的起始因素，实际上仅在后期才开始。

德·西奥强调：“我们的发现为更好地理解电荷传输提供了新的视角，比如在有机太阳能电池方面，并可能有助于开发更高效的材料。”

正在研究的染料是由德国乌尔姆大学的彼得·贝尔勒教授领导的一组研究人员合成的。这种染料分子是用于有机太阳能电池的塑料的基本成分之一，能够将阳光转化为电能。

德·西奥解释道：“这些分子各由三个单元组成——一个中央核心单元连接着两个相同的部分，一个在右侧，一个在左侧。”

分子的核心单元是一个电子供体——一种容易放出电子的材料。相反，两个外部部分可以接受激发的电子。它们称为电子受体。因此，在光激发下，电子理论上可以移动到两个受体单元中的任意一个，右侧或左侧。

这一过程叫做激发态对称性破缺，产生了分子发射的光的颜色的特征变化——一种称为溶剂色变的效应——使其从蓝色变为红色。然而，触发初始对称性破缺的微观机制到目前为止仍然大部分未知。

奥尔登堡团队决定更深入地研究对称破缺的过程。博士生卡特琳·温特和索马耶·索里使用超快激光光谱技术，时间分辨率达到不到10飞秒（一个飞秒等于十亿分之一秒）来激发染料分子。通过这种方法，他们能够追踪光激发后前一千飞秒内电子和原子的运动。

他们的实验表明，激光脉冲在光激发后头50飞秒内触发了染料分子原子之间的高频振动模式。

“分子中的碳原子开始振动，”德·西奥解释道。

这些振动改变了分子内的能量状态，为激发的电子提供了一个优先的运动方向。相比之下，周围溶剂环境的分子在这个时间尺度上似乎是“静止”的——只有在几百飞秒的较慢时间尺度上，它们才会重新组织并稳定对称破缺过程，使分子稳定到一个新状态，从而导致发射颜色光谱的特征变化。

为了确认这些意外的结果，研究人员在另一种溶剂中重复了实验，在这种溶剂中不会发生溶剂色变——染料与溶剂之间的相互作用。然而，在这里，初始的分子内振动仍然被观察到。

与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和德国不来梅大学的研究人员合作进行的量子化学模拟结果支持了实验发现。

“我们的发现有力地证明了高频分子振动的振动耦合是四极染料中超快对称破缺的主要驱动因素，而不是溶剂波动，”Lienau解释道，并补充说，这个机制也可能适用于固态材料和纳米结构。

“控制电荷与分子振动及周围环境的相互作用对这些材料的技术应用非常重要，”De Sio指出。“因此，我们的结果可能对设计高效的光响应材料具有重要意义，同时也有助于我们更好地理解纳米尺度系统中光诱导的电荷传输。”