Нова молекула органічного напівпровідника може призвести до створення легших і простіших сонячних панелей, виготовлених повністю з одного матеріалу.
Майже століття фізики стверджували, що це неможливо зробити за допомогою одного простого органічного матеріалу. Але завдяки відкриттю Кембриджського університету це стало можливим.
Команда спостерігала потужний механізм збирання світла, який довго вважався обмеженим неорганічними матеріалами (оксидами металів). Цей цікавий механізм процвітав у простій, світній органічній напівпровідниковій молекулі під назвою P3TTM.
Оголошене 1 жовтня, Кембридж описує відкриття, яке “сполучає місток через століття фізики”.
“Ми не просто вдосконалюємо старі конструкції. Ми пишемо новий розділ у підручнику, показуючи, що органічні матеріали здатні самостійно генерувати заряди”, – сказав у прес-релізі професор Гуго Бронштейн, автор дослідження.
Хімічна структура P3TTM поруч із фотографією люмінесценції плівки P3TTM: тонка плівка випромінює червоне світло зі збудженого стану радикального дублета.
Неспарена електронна магія
Дослідження зосереджено на цій унікальній молекулі, спін-радикальному органічному напівпровіднику.
В ядрі молекули знаходиться один неспарений електрон, що надає їй унікальних електронних та магнітних властивостей.
За словами провідного дослідника Бівен Лі, ключ до відкриття полягає в тому, як взаємодіють молекули.
При щільній упаковці неспарені електрони на сусідніх ділянках вишиковуються по черзі вгору та вниз.
Ця взаємодія є відмінною рисою того, що у фізиці конденсованого стану відомо як поведінка Мотта-Хаббарда – явище, яке раніше було характерне лише для складних неорганічних оксидів металів.
Стрибкова дія миттєво створює позитивні та негативні електричні заряди (струм), які можна легко витягти.
“Це справжня магія”, – зазначив Лі. “Поглинаючи світло, один із цих електронів перестрибує на найближчого сусіда, створюючи позитивні та негативні заряди, які можна витягти, щоб утворити фотострум (електрику)”.
Щоб продемонструвати цю концепцію, команда створила сонячний елемент, використовуючи плівку молекули P3TTM.
Вплив світла на пристрій призвів до фантастичного коефіцієнта конверсії, досягнувши “ефективності збору заряду, близької до одиниці”.
Коефіцієнт перетворення показує, що майже всі поглинені фотони були перетворені на корисну електроенергію.
Для порівняння, стандартні конструкції покладаються на інтерфейс між двома матеріалами – одним для віддачі електронів, а іншим для їх прийняття – для розділення зарядів та генерації електроенергії.
Цікаво, що новий органічний матеріал може сам генерувати заряди.
Данина пам’яті легенді
У цій новій роботі експерти створили молекулярні структури для контролю міжмолекулярного контакту та підтримки енергетичного балансу Мотта-Хаббарда.
Ця конструкція забезпечила ключ до досягнення розділення зарядів і могла б прокласти шлях для створення недорогих сонячних елементів з одного матеріалу.
Крім того, розробка вшановує фізика сера Невілла Мотта , чия робота з електронних взаємодій заклала основу для сучасної фізики конденсованого стану.
І тепер, десятиліття потому, його квантово-механічні правила використовуються для живлення майбутнього.
“Відкриття Мотта стали основоположними для моєї власної кар’єри та для нашого розуміння напівпровідників. Бачити, як ці глибокі квантово-механічні правила проявляються в абсолютно новому класі органічних матеріалів, і використовувати їх для збору світла, справді особливо”, – сказав професор сер Річард Френд, старший автор статті.
Вирішивши столітню фізичну проблему, Кембриджська колаборація відкрила новий потужний шлях до створення високоефективних, легко виготовляних сонячних елементів для прискорення переходу до сталої енергетики.
Висновки були опубліковані в журналі Nature Materials.
Джерело: Interesting Engineering