Исследователи Кембриджского университета впервые наблюдали квантовое поведение, характерное для металлических оксидов, внутри органического полупроводникового материала P3TTM. Это открытие знаменует прорыв в технологии фотовольтаики: молекулы с одним неспаренным электроном способны самостоятельно разделять заряды после поглощения света, достигая почти 100% эффективности сбора фотонов.
Физика прорыва
В центре каждой молекулы P3TTM находится один неспаренный электрон, придающий ей уникальное магнитное и электронное поведение. Когда молекулы плотно упакованы, их неспаренные электроны взаимодействуют подобно электронам в изоляторе Мотта-Хаббарда — выстраиваются попеременно вверх и вниз. При поглощении фотона один из этих электронов перескакивает на соседнюю молекулу, создавая положительные и отрицательные заряды, которые можно извлечь как фототок.
«Это настоящая магия. В большинстве органических материалов электроны объединены в пары и не взаимодействуют с соседями. Но в нашей системе взаимодействие между неспаренными электронами приводит к их упорядочиванию — признак поведения Мотта-Хаббарда».— Бивен Ли, ведущий исследователь, Cavendish Laboratory
Небольшое количество энергии, необходимое для переноса электрона, известно как «Хаббард U» — электростатическая стоимость размещения двух электронов на одной отрицательно заряженной молекуле. Доктор Петри Мурто из департамента химии Юсуфа Хамида разработал молекулярные структуры, позволяющие настраивать межмолекулярный контакт и энергетический баланс, необходимый для разделения зарядов.
От лаборатории к рынку
Команда изготовила тонкопленочный солнечный элемент из P3TTM, который при воздействии света продемонстрировал практически идеальную эффективность сбора заряда — почти каждый входящий фотон превращался в полезный электрический ток. Это радикально отличается от традиционных органических ячеек, где интерфейс между двумя материалами ограничивает производительность.
Технология обещает значительное снижение стоимости производства солнечных панелей. Органические полупроводники можно наносить методами печати при низких температурах, что резко контрастирует с энергоемким производством кремниевых ячеек, требующим высоких температур и вакуума. Легкость и гибкость органических материалов расширяют области применения туда, где традиционные жесткие панели непригодны.
Историческая преемственность
Открытие несет глубокое историческое значение. Статья опубликована в год 120-летия со дня рождения сэра Невилла Мотта, чья работа по взаимодействию электронов в неупорядоченных системах заложила основы современной физики конденсированного состояния. Профессор сэр Ричард Френд, старший автор исследования, в начале карьеры взаимодействовал с Моттом.
«Словно замкнулся круг. Идеи Мотта были основополагающими для моей карьеры и нашего понимания полупроводников. Увидеть, как эти глубокие квантово-механические правила проявляются в совершенно новом классе органических материалов и использовать их для сбора света — поистине особенное событие».— Профессор сэр Ричард Френд, Department of Physics, Cambridge
Профессор Хьюго Бронштейн добавляет: «Мы не просто улучшаем старые конструкции. Мы пишем новую главу в учебнике, показывая, что органические материалы способны генерировать заряды самостоятельно».
Что дальше
Следующие шаги включают оптимизацию стабильности материала для долгосрочной эксплуатации, масштабирование производства и интеграцию в тандемные солнечные элементы. Комбинация P3TTM с кремнием или перовскитами может дать эффективность выше 30%, превосходя все существующие коммерческие технологии. Инвесторы в cleantech и производители электроники уже проявляют интерес к лицензированию технологии.
P3TTM: Spin-Radical Organic Semiconductor
Революционный органический полупроводник на основе квантовой физики Мотта-Хаббарда для однослойных солнечных элементов с почти идеальной эффективностью.
Для стартапов в области возобновляемой энергетики это открывает новую нишу: разработка специализированных применений, где традиционные панели не подходят — от умной одежды с интегрированным питанием до ультралегких панелей для дронов и стратосферных платформ. Рынок органической фотовольтаики, по прогнозам, достигнет $2,8 млрд к 2032 году при CAGR 18,7%.