Pierwsza obserwacja zachowania Mott-Hubbarda w materiale organicznym
Zespół z Cavendish Laboratory skupił się na organicznym półprzewodniku P3TTM wykazującym unikalne właściwości kwantowe. Ten materiał należy do klasy spin-rodnikowych półprzewodników, gdzie każda cząsteczka zawiera pojedynczy niesparowany elektron odpowiadający za charakterystyczne właściwości magnetyczne i elektroniczne. Kluczowym osiągnięciem było zaobserwowanie zachowania typu izolatora Mott-Hubbarda w materiale organicznym. Dotychczas zjawisko to znane było wyłącznie z nieorganicznych tlenków metali, lecz zespół pod kierownictwem Biwen Li po raz pierwszy udokumentował je w zupełnie innym typie struktury.
To jest prawdziwa magia. W większości materiałów organicznych elektrony są sparowane i nie oddziałują ze swoimi sąsiadami. Ale w naszym układzie, kiedy cząsteczki się zbliżają, interakcja między niesparowanymi elektronami na sąsiednich miejscach zachęca je do naprzemiennego ustawienia w górę i w dół
W konwencjonalnych organicznych ogniwach słonecznych proces przekształcania światła w elektryczność wymaga stosowania interfejsu pomiędzy dwoma różnymi materiałami: donorem i akceptorem elektronów. To ograniczenie znacząco wpływa na obniżenie ogólnej wydajności takich urządzeń. P3TTM funkcjonuje na zupełnie innej zasadzie. Gdy światło trafia na materiał, jeden z niesparowanych elektronów przemieszcza się na najbliższą sąsiednią cząsteczkę, tworząc ładunki dodatnie i ujemne. Cały proces zachodzi w jednolitym materiale bez konieczności stosowania różnych substancji. Petri Murto, odpowiedzialny za opracowanie struktur molekularnych P3TTM, zaprojektował je w sposób umożliwiający precyzyjne dostrojenie kontaktu międzycząsteczkowego i bilansu energetycznego. To właśnie okazało się kluczowe dla osiągnięcia efektywnej separacji ładunku.
Obiecujące wyniki testów
Wyniki eksperymentów zaskoczyły samych badaczy. Ogniwo słoneczne wykonane z cienkiej warstwy P3TTM osiągnęło wydajność zbierania ładunku bliską jedności, co praktycznie oznacza przekształcenie niemal każdej cząstki światła w użyteczny ładunek elektryczny. W szczegółowych pomiarach odnotowano:
- wydajność kwantową fotogeneracji ładunku na poziomie 40%
- wydajność zbierania ładunku bliską 100% przy odwrotnym polaryzowaniu
- silny wzrost prądu fotoelektrycznego sięgający 45 mA na cm²
Nie tylko ulepszamy stare projekty. Otwieramy nowy rozdział w podręczniku, pokazując, że materiały organiczne są w stanie samodzielnie generować ładunki – wyjaśnia Hugo Bronstein
Odkrycie ma szczególny wydźwięk w kontekście historycznym. Publikacja w Nature Materials ukazała się dokładnie w 120. rocznicę urodzin Sir Nevilla Motta, którego pionierskie prace nad oddziaływaniami elektronów w systemach nieuporządkowanych stanowiły fundament współczesnej fizyki materii skondensowanej. Przeprowadzone badania otwierają możliwości stworzenia nowej generacji urządzeń fotowoltaicznych, które mogłyby być znacznie prostsze w produkcji i bardziej efektywne niż obecne rozwiązania. Zdolność do pełnej separacji elektronów i dziur w strukturze wykonanej z pojedynczego materiału od dawna stanowiła poszukiwany cel w organicznej fotowoltaice. A jeśli spojrzeć obiektywnie? Opisywana technologia wymaga jeszcze nieco testów i optymalizacji zanim trafi do powszechnego użytku. Ale perspektywy są co najmniej zachęcające.