太阳能作为化石燃料的替代能源，在应对气候变化方面展现出潜力。地球每秒钟从太阳接收巨大能量，但太阳能电池仅能捕获一小部分，受限于一个物理上限。

日本九州大学与德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学的研究团队在《美国化学会杂志》上发表论文，报告使用基于钼的金属配合物，通过自旋翻转发射器从单线态裂变中捕获倍增能量。这项光转换技术将能量转换效率提升至约130%，突破100%壁垒，为高性能太阳能电池开辟新路径。

太阳能电池发电过程类似粒子接力赛：光子撞击半导体，将能量传递给电子以驱动电流。然而，低能量红外光子无法激发电子，高能量光子如蓝光会以热形式损失多余能量，导致电池仅利用约三分之一阳光。这一限制被称为肖克利-奎塞尔极限。

“我们有两大主要策略来突破这个极限，”九州大学工程学副教授佐佐木洋一表示，“一种是将低能量红外光子转化为更高能量可见光子。另一种，即我们在此探索的，是利用单线态裂变从一个单线态光子生成两个激子。”通常，一个光子最多产生一个自旋单线态激子，单线态裂变可将其分裂为两个较低能量自旋三线态激子，理论上使能量翻倍。

“能量在倍增发生前，很容易被一种称为福斯特共振能量转移的机制‘窃取’，”佐佐木解释道，“因此，我们需要一种能量受体，能在裂变后有选择性地捕获倍增的三线态激子。”团队发现基于钼的自旋翻转发射器可作为理想捕获器，其中电子在吸收或发射近红外光时翻转自旋，使系统接受单线态裂变产生的三线态能量。

通过精细调谐能级，研究人员抑制浪费性福斯特共振能量转移，使来自单线态裂变的倍增激子能被选择性提取。佐佐木说：“如果没有美因茨约翰内斯·古腾堡大学的Heinze小组，我们不可能达到这一点。”该小组研究生Adrian Sauer在九州大学交流访问，作为论文第二作者，他让团队注意到一种长期研究的材料，促成了合作。

将该配合物与基于并四苯的材料在溶液中配对，团队成功捕获能量，实现约130%量子产率，意味着每个吸收光子大约激发1.3个基于钼的金属配合物。这超过传统100%极限，表明系统产生和捕获的能量载体比接收光子更多。

这项研究建立新激子放大设计策略，当前实验处于概念验证阶段。未来计划将两种材料在固态下结合，以实现高效能量转移并集成到工作太阳能电池中。同时，研究有望激发单线态裂变和金属配合物交叉领域探索，潜在应用从太阳能电池和LED扩展到下一代量子技术。

出版详情：作者：Kyushu University；标题：《'Spin-flip' in metal complexes opens a path beyond solar cell efficiency limits》；发表于：《Journal of the American Chemical Society》(2026)；期刊信息：《Journal of the American Chemical Society》。