Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont découvert un phénomène quantique dans un semi-conducteur organique, permettant une conversion hautement efficace de la lumière en électricité. Cette avancée, impliquant le comportement Mott-Hubbard dans la molécule P3TTM, pourrait mener à des panneaux solaires plus simples et moins coûteux fabriqués à partir d'un seul matériau. Cette découverte se relie à la physique fondamentale d'il y a un siècle et marque le 120e anniversaire de la naissance du physicien Sir Nevill Mott.
Dans une étude publiée dans Nature Materials en 2025, des scientifiques dirigés par le professeur Hugo Bronstein du Département de chimie Yusuf Hamied et le professeur Sir Richard Friend du Département de physique de l'Université de Cambridge ont révélé un effet quantique inattendu dans le semi-conducteur organique à spin radical P3TTM. Cette molécule présente un électron non apparié, lui conférant des propriétés magnétiques et électroniques uniques. Lorsque les molécules s'agglutinent étroitement, leurs électrons non appariés interagissent de manière similaire à ceux d'un isolant Mott-Hubbard, un comportement observé auparavant uniquement dans les oxydes métalliques inorganiques.
"C'est la vraie magie", a expliqué Biwen Li, la chercheuse principale au Laboratoire Cavendish. "Dans la plupart des matériaux organiques, les électrons sont appariés et n'interagissent pas avec leurs voisins. Mais dans notre système, lorsque les molécules s'agglutinent, l'interaction entre les électrons non appariés sur des sites voisins les encourage à s'aligner alternativement vers le haut et vers le bas, une caractéristique du comportement Mott-Hubbard. Lors de l'absorption de la lumière, l'un de ces électrons saute sur son voisin le plus proche, créant des charges positives et négatives qui peuvent être extraites pour produire un photocourant (électricité)."
L'équipe a construit une cellule solaire utilisant un film mince de P3TTM, qui a atteint une efficacité de collecte de charges presque parfaite—convertissant presque chaque photon en courant utilisable. Contrairement aux cellules solaires organiques traditionnelles qui nécessitent deux matériaux pour le don et l'acceptation d'électrons, le P3TTM gère l'ensemble du processus en interne. Après l'absorption de la lumière, un électron se déplace vers une molécule voisine, créant une séparation de charges avec un coût énergétique minimal, connu sous le nom de 'Hubbard U'.
Le Dr Petri Murto au Département de chimie Yusuf Hamied a conçu des structures moléculaires pour optimiser le contact molécule-à-molécule et l'équilibre énergétique requis pour cette séparation de charges. Cette innovation suggère le potentiel de fabriquer des cellules solaires légères et peu coûteuses à partir d'un seul matériau.
La découverte a une résonance historique, émergeant dans l'année du 120e anniversaire de la naissance de Sir Nevill Mott. Le professeur Friend, qui a connu Mott au début de sa carrière, a réfléchi : "Cela ressemble à boucler la boucle. Les idées de Mott ont été fondamentales pour ma propre carrière et pour notre compréhension des semi-conducteurs. Voir maintenant ces règles profondes de la mécanique quantique se manifester dans une classe complètement nouvelle de matériaux organiques, et les exploiter pour la récolte de lumière, est vraiment spécial."
Le professeur Bronstein a ajouté : "Nous ne faisons pas seulement améliorer des designs anciens. Nous écrivons un nouveau chapitre dans le manuel, montrant que les matériaux organiques sont capables de générer des charges par eux-mêmes."