将太阳能转换成电能的光伏电池是目前解决全球能源和环境挑战的清洁可再生的最有效方式之一。但是，单结太阳能电池的光电转换效率极限（Shockley-Queisser，SQ极限）从根本上限制了光伏电池的进展。单线态裂分（Singlet Fission，SF）是有机半导体中一种有效的多激子生成过程，通过该过程，光激发的高能级单重态激子（S₁态）可以转换为双倍的低能级三重态激子（T₁态）；双倍的T₁态激子随后彼此分离独立存在于光伏器件中，使得器件内光电流增倍，从而克服单结太阳能电池的SQ极限。然而，由于苛刻的热力学要求，不仅具有SF能力的有机材料数量相当有限，而且限制了SF过程在诸如开关之类的电子小型化器件开关领域中的自由切换。

近期，东北师范大学徐红亮、苏忠民团队在《美国化学会志》发表研究成果“Hydrogen Migration-Triggered Diradicaloid Singlet-Fission Switch”提出在四氮杂并苯的双氢异构体中实施迁移氢原子策略，设计系列双自由基SF开关。第一作者是课题组博士研究生李晴，目前在清华大学从事博士后研究工作。淮阴师范学院阚玉和教授为共同通讯作者。

通过AICD、y₀以及TDM等表征手段证实：基态时，迁移单个氢原子可以增加体系的定域电子分布区域，从而切换得到双自由基体系；T₁态时，电子-空穴相关区域决定E(T₁)能级高低，单氢原子迁移可以增加体系的共轭π电子区域，使共轭π电子区域完全参与S₀→T₁跃迁的电子-空穴相互作用，从而降低E(T₁)能级。另外，作者考虑到：体系的双自由基程度不宜过大以免不利体系稳定存在, 同时吡嗪融合环间应满足适当距离以利于氢原子迁移，最重要的是，具有SF性质的单氢原子NH异构体的ΔE₁(E(S₁) – 2E(T₁))应尽可能趋近于零，从而确保SF衍生物具有高效率的三重态量子产率。基于以上考虑，作者筛选出吡嗪融合环距离小于三个六元环的开关体系作为合理的双自由基SF开关。而且从实验合成角度出发，通过热力学计算给出氢迁移异构化反应温度并证实温控技术控制氢互变异构开关的可行性，详细分析了该类双自由基SF开关在合成应用时应当考虑的实际问题，为实验研究人员提供合理反应温度的依据，也为实验设计合成高效率双自由基SF开关提供了重要理论依据和指导。

该研究得到国家自然科学基金委、吉林省科技发展计划和中国博士后科学基金等项目的支持。

来源：东北师范大学