英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室的科學(xué)家,首次在有機材料中觀測到一種曾被認(rèn)為僅存在于無機金屬氧化物中的量子效應(yīng)。這些特殊的有機分子能借助該量子機制,以極高效率將光能轉(zhuǎn)化為電能。這一突破有望催生更簡單、更輕便、更廉價的太陽能電池。相關(guān)研究成果發(fā)表于新一期《自然·材料》雜志。
此次研究聚焦于一種名為P3TTM的自旋自由基有機半導(dǎo)體。在這種材料中,每個分子的核心都有一個不成對的“單身”電子,使其具備獨特的磁性與電子行為。此前,研究團隊曾設(shè)計出這一分子家族,用于制造高亮發(fā)光的有機LED。
然而,最新研究揭示了一個意想不到的現(xiàn)象:當(dāng)這些分子緊密堆積時,其間的“單身”電子會展現(xiàn)出所謂的“莫特-哈伯德絕緣體”行為。也就是說,相鄰位置上的“單身”電子之間相互作用,促使它們交替上下排列。長久以來,科學(xué)界普遍認(rèn)為這種獨特的量子現(xiàn)象僅存在于某些特定的無機金屬氧化物內(nèi)。
這些“單身”電子在吸收光能之后瞬間獲得能量,掙脫束縛,“躍遷”至鄰近分子的空間。這一躍遷引發(fā)連鎖反應(yīng):它原先所在位置因失去一個帶負(fù)電的電子,形成一個帶正電的“空穴”;而它躍入的分子因多出一個電子而整體帶負(fù)電。一次光照,就在材料內(nèi)部干凈利落地分離出正負(fù)電荷。這些自由移動的電荷可通過外部電極收集,形成持續(xù)電流。
為驗證這一點,研究團隊利用P3TTM薄膜構(gòu)建了一個太陽能電池。實驗顯示,在光照下,該器件實現(xiàn)了近乎完美的電荷收集效率,幾乎每一個入射光子都被轉(zhuǎn)化為可用電流。傳統(tǒng)有機太陽能電池需要兩種材料分別提供和接收電子,限制了效率。相比之下,新材料僅憑單一物質(zhì)即可完成整個轉(zhuǎn)化過程。此外,新分子結(jié)構(gòu)還可調(diào)節(jié)分子間接觸與電荷分離所需的能量平衡,有望用低成本、輕質(zhì)的材料制造太陽能電池。
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