Solceller ger möjlighet att skörda rikligt, förnybar energi. Även om ljuset med högsta energi förekommer i det ultravioletta och synliga spektrumet, mest solenergi finns i infrarött. Det finns en avvägning med att skörda detta ljus, så att solceller är effektiva i det infraröda men slösar bort mycket av den energi som finns tillgänglig från de mer energirika fotonerna i den synliga delen av spektrumet.

När en foton absorberas skapar den en enda elektronisk excitation som sedan separeras i en elektron och ett positivt laddat hål, oavsett ljusenergin. Ett sätt att förbättra effektiviteten är att dela energi tillgänglig från synliga fotoner i två, vilket leder till en fördubbling av strömmen i solcellen.

Forskare i Cambridge och Mons har undersökt processen där den initiala elektroniska exciteringen kan delas upp i ett par halvenergiexcitationer. Detta kan hända i vissa organiska molekyler när den kvantmekaniska effekten av elektronspin ställer in det initiala spinn-"singlet"-tillståndet till dubbelt så mycket energi som det alternativa spin-"triplet"-arrangemanget.

Studien, publiceras idag i tidskriften Naturkemi , visar att denna process av singlettklyvning till par av tripletter beror mycket känsligt på interaktionerna mellan molekyler. Genom att studera denna process när molekylerna är i lösning är det möjligt att kontrollera när denna process är påslagen.

När materialet är mycket utspätt, avståndet mellan molekylerna är stort och singlettklyvning förekommer inte. När lösningen är koncentrerad, kollisioner mellan molekyler blir vanligare. Forskarna finner att fissionsprocessen sker så snart bara två av dessa molekyler är i kontakt, och anmärkningsvärt, att singlettklyvning då är helt effektiv – så att varje foton producerar två tripletter.

Denna grundläggande studie ger nya insikter i processen med singlet fission och visar att användningen av singlet fission är en mycket lovande väg till förbättrade solceller. Kemister kommer att kunna använda resultaten för att göra nya material, säger teamet från Cambridges Cavendish Laboratory, som för närvarande arbetar på sätt att använda dessa lösningar i enheter.

"Vi började med att gå tillbaka till grunderna; titta på solenergiutmaningen från ett blå himmels perspektiv, sa Dr Brian Walker, en forskare i Cavendish Labs Optoelectronics-grupp, som ledde studien.

"Singlet fission erbjuder en väg till att öka solcellseffektiviteten med hjälp av billiga material. Vi börjar bara förstå hur denna process fungerar, och när vi lär oss mer förväntar vi oss att tekniken kommer att förbättras."

Teamet använde en kombination av laserexperiment - som mäter timings med extrem noggrannhet - med kemiska metoder som används för att studera reaktionsmekanismer. Detta dubbla tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att sakta ner fission och observera ett viktigt mellansteg som aldrig tidigare setts.

"Väldigt få andra grupper i världen har laserapparater som är så mångsidiga som vår i Cambridge, " tillade Andrew Musser, en forskare som samarbetat i studien. "Det här gjorde det möjligt för oss att komma ett steg närmare att räkna ut exakt hur singletfission uppstår."