將現代科學與一個世紀前首次探索的概念聯繫起來的進步。研究人員發現了一種令人驚訝的現象，這種現象曾經被認為只有無機金屬氧化物才可能出現在發光的有機半導體分子內部。由劍橋大學科學家領導的這一發現揭示了一種捕獲光並將其轉化為電能的新而有效的方法。這一發現可能會改變太陽能技術和電子產品的未來。它為採用單一材料製成的輕質、廉價的太陽能電池板鋪平了道路。
這項研究的重點是一種稱為 P3TTM 的自旋自由基有機半導體，其中每個分子的核心都有一個不成對的電子。這導致了出色的磁性和電子行為。這項工作是 Yusuf Hamied 化學系 Hugo Bronstein 教授的合成化學小組和物理系 Richard Friend 教授的半導體物理小組合作的結果。這些研究人員之前已經設計了該分子家族，使其具有明亮的熒光。這在有機 LED 中很有用，但這是新研究 天然材料 揭示一些意想不到的事情：當分子緊密結合在一起時，它們的不成對電子會像莫特-哈伯德絕緣體一樣相互作用。
“這真是一個奇蹟，”卡文迪什實驗室首席研究員李必文解釋道。 “在大多數有機材料中，電子彼此配對，不會與相鄰電子相互作用。但在我們的系統中，當分子結合在一起時，附近區域的不成對電子之間會發生相互作用。鼓勵它們上下交替排列。這是莫特-哈伯德行為的標誌。當吸收光時，一個電子會跳到最近的鄰居處，產生正電荷和負電荷。這些電荷可以分離以產生光電流（電）”
為了測試這種效果，該團隊使用 P3TTM 薄膜創建了一種太陽能電池，當暴露在光線下時，這種設備將具有近乎完美的電荷收集效率。這意味著幾乎每個入射光子都被轉換成可用的電流。傳統的有機太陽能電池需要兩種材料。一塊捐贈電子，另一塊接受電子。而且這個接口限制了性能。相反，這些新分子在單一物質內執行整個轉化過程。光子被吸收後，電子自然地移動到相同類型的相鄰分子。引起電荷分離這個過程所需的少量能量稱為“哈伯德U”，代表將兩個電子放置在同一個帶負電的分子上的靜電成本。
Yusuf Hamied 化學系的 Petri Murto 博士開發了一種分子結構，可以調整分子間的接觸以及實現電荷分離所需的莫特-哈伯德物理控制的能量平衡。這一進步意味著可以用單一的輕質材料以低成本製造太陽能電池。
該論文的資深作者理查德·弗蘭德教授教授說，這一發現具有深遠的歷史意義。與內維爾·莫特爵士職業生涯早期的通信 這一發現是在莫特誕辰 120 週年的同一年發現的。它向這位傳奇物理學家致敬，他在無序系統中電子相互作用方面的工作為現代凝聚態物理學奠定了基礎。
“感覺就像回到了原點，”弗蘭德教授說。 “莫特的見解為我自己的職業生涯和我們對半導體的理解奠定了基礎。看到這些微妙的量子力學定律在全新的有機材料中體現出來，真是令人興奮。利用它們進行光收集確實是非凡的。”
“我們不僅僅是更新舊的設計，”布朗斯坦教授說，“我們正在教科書上寫新的章節。它表明有機材料可以自行產生電荷。”
