科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，首次在有機(jī)材料中觀測(cè)到一種曾被認(rèn)為僅存在于無機(jī)金屬氧化物中的量子效應(yīng)。這些特殊的有機(jī)分子能借助該量子機(jī)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(jiǎn)單、更輕便、更廉價(jià)的太陽(yáng)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(jī)半導(dǎo)體。在這種材料中，每個(gè)分子的核心都有一個(gè)不成對(duì)的“單身”電子，使其具備獨(dú)特的磁性與電子行為。此前，研究團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)出這一分子家族，用于制造高亮發(fā)光的有機(jī)LED。

然而，最新研究揭示了一個(gè)意想不到的現(xiàn)象：當(dāng)這些分子緊密堆積時(shí)，其間的“單身”電子會(huì)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(zhǎng)久以來，科學(xué)界普遍認(rèn)為這種獨(dú)特的量子現(xiàn)象僅存在于某些特定的無機(jī)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(gè)帶負(fù)電的電子，形成一個(gè)帶正電的“空穴”；而它躍入的分子因多出一個(gè)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(dòng)的電荷可通過外部電極收集，形成持續(xù)電流。

為驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)利用P3TTM薄膜構(gòu)建了一個(gè)太陽(yáng)能電池。實(shí)驗(yàn)顯示，在光照下，該器件實(shí)現(xiàn)了近乎完美的電荷收集效率，幾乎每一個(gè)入射光子都被轉(zhuǎn)化為可用電流。傳統(tǒng)有機(jī)太陽(yáng)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(gè)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(yáng)能電池。