将激子与极化子耦合以获得更好的太阳能电池和更高强度的 LED

在太阳能电池和发光二极管中，保持分子的激发态动力学不被湮灭是一场与时间的赛跑。这些系统需要在导致能量损失和导致预期结果的不同过程之间取得谨慎的平衡。

一种主要的损耗机制，尤其是在效率最高的系统中，称为激子-激子湮灭，这会导致太阳能效率和 LED 光输出降低。因此，控制激子-激子湮灭的量是影响效率的重要杠杆。

美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员与科罗拉多大学博尔德分校的研究人员合作，试图通过将激子与腔极化子(基本上是被捕获在两个镜子之间的光子)耦合来控制激子/激子湮灭，以对抗能量耗散并潜在地提高光电装置的效率。

正如《物理化学快报》上的一篇文章所详述的那样，他们使用瞬态吸收光谱法，通过改变形成包围二维钙钛矿 (PEA)2PbI4 (PEPI) 层的腔体的两个镜子之间的距离来展示对损耗机制的控制。这种钙钛矿材料是未来 LED 应用的候选材料。

领导这项研究的 NREL 化学与纳米科学中心主任 Jao van de Lagemaat 表示：“如果我们能够控制 LED 或太阳能电池中使用的活性材料中的激子/激子湮没，我们就可以减少能量损失，从而大幅提高其效率。”

当光与物质系统之间的能量交换超过其衰减速度时，光子态与电子态(即激子)之间就会发生强耦合，形成极化子，即光与物质的混合态。

NREL 研究人员展示了法布里-珀罗微腔中 PEPI 层的超强耦合，该微腔由两个部分反射镜组成。与腔体耦合更紧密的 PEPI 层可延长激发态的寿命，并让研究人员能够控制激子-激子湮灭，从而将损耗过程降低一个数量级。

NREL 研究人员用新形成的混合态的量子性质来解释他们的观察结果。极化子在性质上在光子和激子之间来回转换得非常快。由于光子相遇时不会相互湮灭，但激子会，因此如果极化子在相互作用的那一刻恰好是光子，那么这两种粒子特性之间的这种幽灵般的“相位”就允许极化子相互穿过。

调整耦合强度可以调整极化子作为光子所花费的相对时间，从而可以控制这些系统中的能量损失。

科罗拉多大学博尔德分校的研究生饶飞说道：“将材料放置在两面镜子之间这样简单的实验竟然完全改变了材料的动态，这真是令人震惊。”他制作了腔体并进行了超快光谱测量。

“我们证明了强耦合效应可用于控制 PEPI 系统的激发态动力学，”van de Lagemaat 说道。“该系统的简单性表明，这一结果应该可以转化为 LED 和太阳能电池中的其他活性材料，并且有可能使用简单的制造方法将其设计到这些应用中。”

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