Investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto un fenómeno cuántico en un semiconductor orgánico que permite una conversión altamente eficiente de luz a electricidad. Este avance, que involucra el comportamiento Mott-Hubbard en la molécula P3TTM, podría llevar a paneles solares más simples y baratos fabricados con un solo material. El hallazgo se conecta con la física fundamental de hace un siglo y marca el 120 aniversario del nacimiento del físico Sir Nevill Mott.
En un estudio publicado en Nature Materials en 2025, científicos liderados por el profesor Hugo Bronstein del Departamento de Química Yusuf Hamied y el profesor Sir Richard Friend del Departamento de Física de la Universidad de Cambridge revelaron un efecto cuántico inesperado en el semiconductor orgánico de espín-radical P3TTM. Esta molécula presenta un electrón no apareado, lo que le confiere propiedades magnéticas y electrónicas únicas. Cuando las moléculas se agrupan estrechamente, sus electrones no apareados interactúan de manera similar a los de un aislante Mott-Hubbard, un comportamiento observado previamente solo en óxidos metálicos inorgánicos.
"Esta es la verdadera magia", explicó Biwen Li, la investigadora principal en el Laboratorio Cavendish. "En la mayoría de los materiales orgánicos, los electrones están apareados y no interactúan con sus vecinos. Pero en nuestro sistema, cuando las moléculas se agrupan, la interacción entre los electrones no apareados en sitios vecinos los anima a alinearse alternadamente hacia arriba y hacia abajo, un sello distintivo del comportamiento Mott-Hubbard. Al absorber luz, uno de estos electrones salta a su vecino más cercano, creando cargas positivas y negativas que pueden extraerse para generar una fotocorriente (electricidad)."
El equipo construyó una celda solar utilizando una película delgada de P3TTM, que alcanzó una eficiencia de recolección de cargas casi perfecta, convirtiendo casi cada fotón en corriente utilizable. A diferencia de las celdas solares orgánicas tradicionales que requieren dos materiales para la donación y aceptación de electrones, P3TTM maneja todo el proceso internamente. Después de la absorción de luz, un electrón se mueve a una molécula vecina, creando una separación de cargas con un costo energético mínimo, conocido como 'Hubbard U'.
El Dr. Petri Murto en el Departamento de Química Yusuf Hamied diseñó estructuras moleculares para optimizar el contacto molécula-a-molécula y el equilibrio energético requerido para esta separación de cargas. Esta innovación sugiere el potencial para fabricar celdas solares livianas y de bajo costo a partir de un solo material.
El descubrimiento tiene una resonancia histórica, emergiendo en el año del 120 aniversario del nacimiento de Sir Nevill Mott. El profesor Friend, quien conoció a Mott al inicio de su carrera, reflexionó: "Se siente como cerrar el círculo. Las ideas de Mott fueron fundamentales para mi propia carrera y para nuestra comprensión de los semiconductores. Ver ahora estas profundas reglas de la mecánica cuántica manifestándose en una clase completamente nueva de materiales orgánicos, y aprovecharlas para la cosecha de luz, es verdaderamente especial."
El profesor Bronstein añadió: "No solo estamos mejorando diseños antiguos. Estamos escribiendo un nuevo capítulo en el libro de texto, mostrando que los materiales orgánicos pueden generar cargas por sí mismos."