Учёные Кембриджского университета открыли необычный светопоглощающий механизм в органическом полупроводнике под названием P3TTM. Ранее считалось, что подобные процессы возможны только в неорганических материалах, например, в оксидах металлов. Теперь же исследователи показали, что органическая молекула способна самостоятельно генерировать электрический ток при воздействии света.
Об открытии, которое «переписывает вековую историю физики», сообщили 1 октября. По словам профессора Хьюго Бронстейна, авторов исследования, речь идёт не о модернизации старых технологий, а о создании совершенно новой концепции солнечных элементов.
Как это работает
В основе явления лежит особая структура молекулы P3TTM — органического спин-радикального полупроводника. У неё есть один неспаренный электрон, который и обеспечивает уникальные электронные и магнитные свойства.
Когда такие молекулы располагаются достаточно близко, их электроны выстраиваются попеременно «вверх» и «вниз». Это напоминает поведение в рамках эффекта Мотта-Хаббарда, ранее наблюдавшегося только в сложных неорганических соединениях.
При поглощении света электрон перескакивает на соседнюю молекулу, формируя положительный и отрицательный заряд. Эти заряды можно напрямую извлекать в виде электрического тока.
Чтобы доказать работоспособность механизма, исследователи создали солнечный элемент из тонкой плёнки P3TTM. При освещении устройство показало почти идеальную эффективность — практически все поглощённые фотоны преобразовывались в электричество.
Зачем это нужно
Обычные солнечные панели требуют комбинации двух материалов: один отдаёт электроны, другой принимает их. Это усложняет производство и снижает эффективность. Новый органический материал способен выполнять обе функции самостоятельно, что открывает путь к созданию лёгких, недорогих и простых в изготовлении солнечных батарей.
Кроме того, разработка стала своеобразной данью памяти сэру Невиллу Мотту, чьи исследования взаимодействия электронов стали основой современной физики твёрдого тела. Теперь его теории воплощаются в практических энергетических технологиях.
По словам сэра Ричарда Френда, одного из авторов работы, наблюдать, как квантовые правила Мотта реализуются в новой категории органических материалов и превращаются в основу для солнечной энергетики будущего, — особое достижение.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
