受植物光合作用啟發(fā)的新型光電探測(cè)器

光電探測(cè)器也被稱(chēng)為光敏器，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。多年來(lái)，科學(xué)家們一直設(shè)想開(kāi)發(fā)新型檢測(cè)器，以發(fā)展卓越的太陽(yáng)能電池。最近，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種光探測(cè)器，其靈感來(lái)自于植物的光合作用復(fù)合物，該復(fù)合物將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量。這種裝置是基于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中長(zhǎng)距離的偏振子傳播。

光合作用和能量的長(zhǎng)距離傳輸

光合作用是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，涉及發(fā)色團(tuán)對(duì)太陽(yáng)光子的吸收，將色素分子的電子從基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)。

植物的光合作用復(fù)合體由大型光吸收區(qū)組成，其主要功能是將能量從分子激發(fā)態(tài)輸送到反應(yīng)中心（RC），在那里能量被轉(zhuǎn)化為電能。

色素團(tuán)分子被安排在一個(gè)擴(kuò)展的天線(xiàn)復(fù)合體（AC）中，最終將能量傳遞給RC。在產(chǎn)生激子（即電子激發(fā)態(tài)）之后，反應(yīng)中心將激子分離成一個(gè)電子和一個(gè)空穴。自由能最終被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

光合復(fù)合體中的激發(fā)能量是通過(guò)近場(chǎng)傅氏分子間跳動(dòng)轉(zhuǎn)移的，由于色團(tuán)分子的特殊排序，這種跳動(dòng)是高度精確的。

傳統(tǒng)的光電探測(cè)器裝置的局限性

與人工AC/RC系統(tǒng)相關(guān)的主要限制是材料無(wú)序，在幾個(gè)分子跳動(dòng)后就停止了電子傳輸。這個(gè)缺點(diǎn)已經(jīng)通過(guò)使用定制的分子結(jié)構(gòu)組件得到解決。盡管如此，這種裝置的激子傳輸距離不足，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)在光子結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)光子的分子激子模式，形成新的量子力學(xué)準(zhǔn)粒子，稱(chēng)為激子-極子，解決了與增強(qiáng)長(zhǎng)距離能量傳輸有關(guān)的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的極子結(jié)構(gòu)使用平面微腔，它利用埋在分布式布拉格反射器（DBR）或金屬鏡面之間的光學(xué)活性層。然而，相對(duì)較短的壽命和較低的群速度抑制了它們?cè)诖缶嚯x上的電子傳播。

截?cái)嗟娜橘|(zhì)光子結(jié)構(gòu)通過(guò)非耗散性的布洛赫表面波（BSW）支持高群速度的能量傳播。

BSW極子由于其小的有效質(zhì)量和固有的光子成分的脫域，對(duì)與分子固體中的局部缺陷的相互作用具有免疫力。這些結(jié)構(gòu)特征使得高效、長(zhǎng)程和高速的能量傳輸成為可能。因此，偏振子已被確定為模仿天然交流電的可能途徑，不需要遵循精確的色團(tuán)排列來(lái)支持能量傳輸并消除任何能量損失。

光合作用復(fù)合體是如何激發(fā)新型光電探測(cè)器的發(fā)展的？

與傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的排列方式相比，光合復(fù)合體具有卓越的AC/RC結(jié)構(gòu)，這提高了供體-受體異質(zhì)結(jié)（D-A HJ）處電荷轉(zhuǎn)移（CT）狀態(tài)的發(fā)射量子效率。在人工裝置中模仿光合作用復(fù)合物的機(jī)制是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗枰谟袡C(jī)材料中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的能量傳輸。

密歇根大學(xué)的斯蒂芬-福雷斯特博士和研究小組負(fù)責(zé)人表示，他們的裝置結(jié)合了光能的長(zhǎng)程傳輸和長(zhǎng)程轉(zhuǎn)換為電流。長(zhǎng)距離偏振子介導(dǎo)的光檢測(cè)在室溫下被證明。

該光電探測(cè)器是通過(guò)模仿光合作用過(guò)程而設(shè)計(jì)的，即通過(guò)強(qiáng)耦合的有機(jī)激子-BSW人工交流電和有機(jī)D-A HJ RC的長(zhǎng)程能量傳輸?shù)慕Y(jié)合。這個(gè)系統(tǒng)可以有效地將偏振子轉(zhuǎn)換回CT激子，它將被分離成電子和空穴，并最終在外部電路中被檢測(cè)到。

盡管這個(gè)人工AC/RC系統(tǒng)與自然光合結(jié)構(gòu)相似，但它也有一些不同之處。例如，與天然交流系統(tǒng)不同，該人工裝置中的能量傳輸是各向同性的。

新開(kāi)發(fā)的光檢測(cè)器的特點(diǎn)

光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)使太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率得到了極大的提高。該光電探測(cè)器是基于偏振子的光電器件的首次展示之一。該設(shè)計(jì)提供了關(guān)于偏振子如何在具有單面鏡的開(kāi)放結(jié)構(gòu)中傳播的見(jiàn)解。

這項(xiàng)研究為研究偏振子的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)辟了一條新的道路。

該裝置通過(guò)一個(gè)特殊的傅里葉平面顯微鏡進(jìn)行分析，以評(píng)估偏振子的傳播。由于其不尋常的結(jié)構(gòu)，研究小組不得不開(kāi)發(fā)一種新的方法來(lái)準(zhǔn)確量化其結(jié)果，以便與傳統(tǒng)探測(cè)器相媲美。值得注意的是，新開(kāi)發(fā)的光電探測(cè)器比硅光電二極管更有效地將光轉(zhuǎn)換為電流。

該光電探測(cè)器可以從大約0.01平方毫米的區(qū)域收集光線(xiàn)，并在0.1納米的顯著長(zhǎng)距離內(nèi)將其轉(zhuǎn)換為電能。這個(gè)距離幾乎是光合作用復(fù)合體能量傳輸距離的三倍。

參考資料

Liu, B. et al. (2022) Photocurrent generation following long range propagation of organic exciton-polaritons. Optica, 9(9).

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Plant-Based Strategy for Harvesting Light. (2022) [Online] Available at:

Written by

Dr. Priyom Bose