共轭分子线中的电子跃迁及其在太阳能电池中的应用

看不见却能量传输的微小导线

设想能够像交通工程师管理高速公路上的汽车那样控制单个电子在器件中的运动。本研究将视角拉到纳米尺度，化学家在这里构建由分子组成的“导线”来引导太阳能电池内部的电荷流动。通过理解并重塑这些微小电流的路径，研究者展示了一种在新一代无铅太阳能电池中提高输出功率的新策略。

光与电力之间的微小桥梁

工作的核心是分子导线：由相连的环和键构成的链条，长度仅一到三纳米，比病毒还要细上千倍。一端将导线固定在一种称为氧化铟锡的透明导电材料上，该材料广泛用于触摸屏和太阳电池。另一端带有一种含铁的单元——亚铁烷（ferrocene），它能轻易地给予或接受电子。当这些导线在电极表面形成超薄且有序的一层时，它们就像定制的桥梁，把电极连接到电子或太阳能器件的其他部分，同时也为研究电子如何跨界面移动提供了一个明确可控的试验场。

逐步观测电子的移动

为了探测电子的真实行为，团队采用了电化学方法，通过施加电压扫描使电子在亚铁烷端与氧化铟锡表面之间来回移动。从电信号的形状和时序中，他们提取出电子转移的速率以及当导线变长或温度变化时速率如何改变。令人惊讶的是，即使是最短的导线——仅约一纳米长——也没有表现出简单量子隧穿的典型特征（即电子出现在另一侧的几率随距离急剧下降）。相反，电子转移随导线长度增加仅缓慢变慢，并且在较高温度下反而加快，这些都是“跳跃”过程的特征：电荷沿导线以小步递进的方式移动，而不是直接跨越。

为何该电极有利于跳跃过程

这一不寻常行为的关键在于材料能级如何对齐。研究者将氧化铟锡中电子所在的能级与当亚铁烷端被氧化时分子导线的能级进行了比较。他们发现这些能级非常接近——比常用于单分子电子学的金更为匹配。这样的小能隙意味着电子从电极跳到导线再到达亚铁烷单元所需的能量相对较低。计算表明，随着更多构件被加入导线，富电子轨道沿主链扩展并更靠近表面，进一步促进分步跳跃。距离依赖性温和、热激活以及近乎完美的能量匹配共同指向：即使在通常被认为由隧穿主导的超短距离上，跳跃仍是占优的传导途径。

将分子导线接入太阳能电池

带着这种机理洞见，团队探问其性能最好的导线能否改进真实器件。他们将最短的亚铁烷端导线连接到光滑的氧化铟锡上，然后在其上生长了一层基于锡的钙钛矿薄膜，这是一种有前景的无铅光吸收层。在这些太阳能电池中，分子导线层充当“空穴抽取”接触层，在光吸收后将正电荷从钙钛矿中拉走并送入外部电路。与锡基钙钛矿电池中常用的空穴传输层相比，采用分子导线的器件实现了更高的电压和更好的电流，功率转换效率达约9.5%。作为对照，使用相似分子但没有亚铁烷端基的器件性能远差且内部电阻更高，突显了该可逆氧化还原末端对快速电荷转移的重要性。

从基础认识到未来器件

对非专业读者来说，主要结论是：通过在原子尺度上精心匹配能量和结构，化学家可以促使电子以曾被认为不太可能的方式移动——在这里，即使在纳米尺度距离上也让跳跃路径占据主导地位。这不仅深化了我们对电子如何跨越固体电极与分子层边界的理解，也为在太阳能电池和其他光电技术中设计界面提供了新工具。随着分子设计和器件制造的并进发展，这类定制导线有望推动薄型、柔性且更可持续的太阳能技术走入日常应用。

引用: Fang, F., Li, A., Geoghegan, B.L. et al. Electron hopping in conjugated molecular wires with application to solar cells. Nat. Chem. 18, 756–764 (2026). https://doi.org/10.1038/s41557-025-02034-0

关键词: 分子导线, 电子转移, 氧化铟锡, 钙钛矿太阳能电池, 亚铁烷（菲洛辛）