近日，理学院物理系张杰副教授与大阪大学Masanori Sakamoto教授、庆应义塾大学Hayato Sakai教授以及韩国三星显示研究中心Kim Hyeon-Deuk教授等研究人员合作，在国际光子学顶级期刊《Nature Photonics》上在线发表题为“Molecular quantum-dot orbital hybridization supports efficient endothermic singlet exciton fission”的重要研究论文。该论文张杰副教授为第一作者，Masanori Sakamoto教授、Hayato Sakai教授以及Kim Hyeon-Deuk教授为共同通讯作者。
单线态激子裂分（SF）是一种能够将一个高能光子激发的单线态激子转化为两个低能三线态激子的光物理过程，其理论量子效率可达200%，被认为是突破传统太阳能电池肖克利-奎伊瑟（Shockley–Queisser）理论效率极限的关键路径之一。然而，适用于硅基太阳能电池的多数裂分材料（如并四苯等并苯类分子）属于“吸热型”裂分体系，即生成的两个三线态激子总能量高于初始单线态激子，导致该过程在热力学上不利，反向反应难以避免，裂分效率长期受限。如何高效实现吸热型单线态激子裂分，一直是该领域的核心难题。
针对这一瓶颈，合作团队创新性地将并四苯分子修饰在不同组分的量子点（CdTe、CdSe、CdS）表面，构筑了分子-量子点复合体系。通过飞秒至纳秒时间分辨瞬态吸收光谱、全局拟合分析以及第一性原理计算，系统考察了三种量子点体系中的裂分动力学行为。
研究首次发现，在CdTe量子点表面，并四苯分子与量子点之间发生了显著的轨道杂化，形成了一种全新的中间态—杂化态（Hybridised State, HS）。该杂化态在能量上靠近分子激发态，能够有效降低吸热过程的能垒，促进多激子态（即耦合的三线态对）的快速生成。相比之下，在CdSe和CdS量子点表面，杂化较弱或缺失，裂分效率显著降低。
实验数据显示，在CdTe–并四苯体系中多激子态的产率接近200%，最终分离为自由三线态激子的产率达到95%，几乎实现了完全裂分。动力学分析表明，杂化态的存在不仅加速了裂分过程，还有效抑制了反向重组反应，使得三线态激子在微秒时间尺度上稳定存在，为后续的电荷分离或能量转移提供了有利条件。这一发现不仅深化了对吸热型单线态激子裂分微观机制的理解，也为设计高效率有机-无机杂化光伏材料、尤其是用于硅基叠层太阳能电池的敏化层提供了明确的理论指导。
《Nature Photonics》是国际光子学领域的顶级期刊，由Springer Nature出版，专注于光子学基础与应用研究。该期刊在学术界享有较高声誉，发表的文章通常具有重要的科学意义和应用价值。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01908-0
