Кембриджські науковці відкрили новий квантовий механізм у органічному напівпровіднику, який може докорінно змінити уявлення про сонячну енергетику.

Команда під керівництвом професора сера Річарда Френда та професора Гуго Бронштейна виявила, що спін-радикальний матеріал P3TTM поводиться подібно до класичних неорганічних ізоляторів Мотта-Хаббарда — систем, у яких електрони взаємодіють між собою в складний квантовий спосіб. «Це справжня магія», — зазначає провідний дослідник Бівен Лі. «Коли наші молекули збираються разом, неспарені електрони на сусідніх ділянках вирівнюються вгору-вниз, утворюючи характерний для Мотта-Хаббарда малюнок. Поглинене світло змушує електрон “перестрибувати” до сусіда, створюючи електричний заряд, який можна зібрати як фотострум».

Команда створила сонячний елемент із тонкої плівки P3TTM, що досяг ефективності збору заряду, близької до одиниці — майже кожен фотон світла перетворювався на електричний заряд. У традиційних органічних сонячних елементах для цього потрібна межа двох різних матеріалів, але в новому підході розділення зарядів відбувається всередині одного матеріалу, що спрощує конструкцію та знижує вартість.

Доктор Петрі Мурто розробив молекули з контрольованим міжмолекулярним контактом, який визначає енергію Хаббарда — U, необхідну для ефективного поділу зарядів. Така гнучкість відкриває шлях до створення дешевих, легких і високоефективних сонячних панелей з органічних матеріалів.

Цей прорив збігається з 120-річчям від дня народження сера Невілла Мотта, одного з основоположників фізики конденсованих середовищ. «Це схоже на повне коло», — сказав професор Френд. «Ідеї Мотта стали фундаментом мого розуміння напівпровідників. Тепер ми бачимо, як ці квантові принципи оживають у нових органічних матеріалах, і це особливе відчуття».

Професор Бронштейн підсумував: «Ми не просто вдосконалюємо старі технології — ми пишемо нову главу в науці про напівпровідники, показуючи, що органічні матеріали здатні генерувати заряди самостійно».