Новое исследование, возглавляемое учеными Кембриджского университета, демонстрирует новый, мощный механизм преобразования света в электрическую энергию. Так, специалисты зафиксировали явление, ранее связываемое исключительно с неорганическими оксидами металлов, в светящейся молекуле органического полупроводника. Это открывает перспективу для революционного изменения в солнечной энергетике и электронике, позволяя создавать более легкие, экономичные и простые солнечные панели на основе всего одного материала.
Ключевым элементом исследования является спин-радикальная органическая полупроводниковая молекула P3TTM, имеющая в своем составе неспаренный электрон, что определяет ее уникальные магнитные и электронные свойства. Результатом сотрудничества между группой синтетической химии профессора Хьюго Бронштейна и группой физики полупроводников под руководством профессора сэра Ричарда Френда стала разработка класса молекул, обладающих высокоэффективной люминесценцией, которая находит применение в органических светодиодах.
Однако исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, обнаруживает еще одну особенность этих молекул: при тесном контакте неспаренные электроны ведут себя удивительно похожим образом на изолятор Мотта-Хаббарда.
«Это настоящая магия, — объясняет Бивен Ли, ведущий исследователь Кавендишской лаборатории. — В большинстве органических материалов электроны спариваются и не взаимодействуют друг с другом. Но в нашей системе, когда молекулы тесно упакованы, взаимодействие между неспаренными электронами на соседних участках заставляет их выстраиваться попеременно вверх и вниз, что является характерным признаком поведения Мотта-Хаббарда. При поглощении света один из электронов переходит к ближайшему соседу, создавая положительные и отрицательные заряды, которые можно извлечь и получить фототок (электричество)».
Команда продемонстрировала это, создав солнечный элемент из пленки P3TTM. При освещении устройства достигалась высокая эффективность сбора заряда, близкая к единице, то есть практически каждый фотон света преобразовывался в полезный электрический заряд. В обычных молекулярных полупроводниковых солнечных элементах преобразование поглощенного фотона происходит на границе раздела двух различных материалов, где один выступает в качестве донора, а другой — в качестве акцептора электронов , что снижает общую эффективность.
В этих новых материалах после поглощения фотона перемещение электрона от одной молекулы к соседней происходит с энергетическим «спуском», создавая электрические заряды. Энергия, необходимая для этого, часто называемая «U Хаббарда», представляет собой энергию электростатического заряда, требуемую для двойного заполнения молекулы электронами с образованием отрицательного заряда.
Доктор Петри Мурто разработал молекулярные структуры, позволяющие настраивать межмолекулярный контакт и энергетический баланс, подчиняясь законам Мотта-Хаббарда, необходимым для эффективного разделения зарядов. Этот прорыв означает, что солнечные элементы можно будет изготавливать из одного недорогого и легкого материала.
Это открытие также является значимым историческим событием. Профессор сэр Ричард Френд сотрудничал с сэром Невиллом Моттом в начале своей карьеры. Символично, что это открытие сделано в год 120-летия со дня рождения Мотта, воздавая должное выдающемуся физику, чьи работы по взаимодействию электронов в неупорядоченных системах заложили основу современной физики конденсированного состояния.
«Это как замыкание круга, — сказал профессор Френд. — Идеи Мотта легли в основу моей карьеры и нашего понимания полупроводников. Теперь видеть, как эти фундаментальные принципы квантовой механики проявляются в совершенно новом классе органических материалов и используются для сбора света, — поистине удивительно».
«Мы не просто улучшаем существующие конструкции, — заявил профессор Бронштейн. — Мы пишем новую главу в учебнике, демонстрируя, что органические материалы могут генерировать заряды самостоятельно».
Изображение: phys.org
