科學家發現，電子可以以接近自然允許的速度流過太陽能材料，這挑戰了長期以來關於太陽能係統如何運作的想法。
這項發現可能為設計更有效地捕捉陽光並將其轉化為電能的技術開闢新途徑。
在實驗室實驗中，事件持續時間僅為 18 飛秒（不到十億分之一秒），劍橋大學的研究人員觀察到單一分子振動中電荷的分離。
該研究的第一作者、劍橋大學聖約翰學院的研究員 Pratyush Ghosh 博士說：「我們特意設計了一個系統，根據傳統理論，該系統不應如此快速地轉移電荷。」「根據傳統的設計規則，這個系統應該很慢，這就是結果如此引人注目的原因。
「電子不是隨機徘徊，而是以相干爆發的方式發射。振動就像分子彈射器。振動不僅伴隨著這個過程，而且還主動驅動它。”
觀察電子在原子時間尺度上的移動
飛秒是萬億分之一秒——一秒是宇宙誕生以來所經過的所有時間的八倍。在這個令人難以置信的小時間尺度上，分子內的原子會不斷振動。
研究人員發現，電子在材料之間移動的速度與這些原子運動的速度基本上相同。正如戈什解釋的那樣，“我們實際上看到電子與原子在同一時鐘上遷移。”
研究發表於 自然通訊 2026 年 3 月 5 日，挑戰太陽能科學領域長期以來的設計假設。到目前為止，科學家普遍認為超快電荷轉移需要材料之間存在較大的能量差和強電子耦合。這些條件會限制電壓並增加能量損耗，從而降低效率。
光如何在太陽能材料中產生能量
當光線照射到許多碳基材料時，它會產生緊密束縛的能量束，稱為激子－一對電子和電洞。為了使太陽能電池、光電探測器和光催化系統等設備有效運行，這一對必須快速分配為自由電荷。
除法發生得越快，浪費的能量就越少。這種超快的分離對於確定太陽能電池板和其他光採集技術將陽光轉化為可用電力的效率至關重要。
在研究劍橋研究人員在他們預期性能不佳的系統中故意創建的內容時，這種權衡是不可避免的。他們將聚合物供體放置在非富勒烯受體旁邊，幾乎沒有能量差異，只有微弱的相互作用，這些條件應該會顯著減慢電荷轉移。
相反，電子在 18 飛秒內穿過界面。這個速度比許多先前研究的有機系統都要快，並且與原子運動的自然節奏一致。戈甚博士說：“在這個時間尺度上在單一分子振動內看到這種情況發生是非同尋常的。”
分子振動驅動電子的超快速運動
超快雷射實驗揭示了這意外結果背後的機制。當聚合物吸收光時，它開始以特定的高頻模式振動。
這些振動混合了電子狀態並有效地推動電子穿過邊界，產生彈道定向運動而不是緩慢的隨機擴散。
當電子到達接收分子時，它開始新的相干振動。這種特徵訊號在有機材料中很少見，顯示轉移發生的速度。 「這種一致的振動是轉移發生速度和乾淨程度的清晰指紋。
「我們的結果表明，電荷分離的最終速率不僅僅由靜態電子結構決定，」戈甚博士說。 「這取決於分子如何振動。這給了我們一個新的設計原則。在某種程度上，這給了我們一本新的規則手冊。我們可以學習使用它們，而不是處理分子振動。”
對太陽能和光收集的影響
研究結果提出了一種設計更有效率的光收集技術的新策略。超快電荷分離對於有機太陽能電池、光電探測器和可生產清潔氫燃料的光催化裝置等系統至關重要。類似的過程也自然發生在光合作用中。
該研究的合著者、卡文迪什實驗室物理學教授、前聖約翰學院副研究員 Akshay Rao 教授表示：“我們現在可以設計利用分子運動的材料，將振動從邊界變成一種工具，而不是試圖抑制分子運動。”
來自劍橋大學卡文迪什實驗室和 Yusuf Hamied 化學系的科學家參與了該項目，其中包括聖約翰學院研究員 Rakesh Arul 博士。來自義大利、瑞典、美國、波蘭和比利時的合作者也為這項研究做出了貢獻。
