Peneliti di Universitas Cambridge telah menemukan fenomena kuantum dalam semikonduktor organik, yang memungkinkan konversi cahaya-ke-listrik yang sangat efisien. Terobosan ini, yang melibatkan perilaku Mott-Hubbard dalam molekul P3TTM, dapat mengarah pada panel surya yang lebih sederhana dan murah yang dibuat dari satu material. Penemuan ini terhubung dengan fisika dasar dari satu abad lalu dan menandai peringatan 120 tahun kelahiran fisikawan Sir Nevill Mott.
Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Nature Materials pada tahun 2025, ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Hugo Bronstein dari Departemen Kimia Yusuf Hamied dan Profesor Sir Richard Friend dari Departemen Fisika di Universitas Cambridge mengungkap efek kuantum tak terduga dalam semikonduktor organik spin-radikal P3TTM. Molekul ini memiliki elektron tak berpasangan, yang memberinya sifat magnetik dan elektronik unik. Ketika molekul berkumpul rapat, elektron tak berpasangannya berinteraksi mirip dengan yang ada di insulator Mott-Hubbard, perilaku yang sebelumnya hanya diamati di oksida logam anorganik.
"Ini adalah keajaiban sebenarnya," jelas Biwen Li, peneliti utama di Laboratorium Cavendish. "Di sebagian besar material organik, elektron berpasangan dan tidak berinteraksi dengan tetangganya. Tapi dalam sistem kami, ketika molekul berkumpul, interaksi antara elektron tak berpasangan di situs tetangga mendorong mereka untuk berbaris secara bergantian naik dan turun, ciri khas perilaku Mott-Hubbard. Saat menyerap cahaya, salah satu elektron ini melompat ke tetangga terdekatnya, menciptakan muatan positif dan negatif yang dapat diekstrak untuk menghasilkan arus fotolistrik (listrik)."
Tim membangun sel surya menggunakan lapisan tipis P3TTM, yang mencapai efisiensi pengumpulan muatan hampir sempurna—mengonversi hampir setiap foton menjadi arus yang dapat digunakan. Tidak seperti sel surya organik tradisional yang memerlukan dua material untuk donasi dan penerimaan elektron, P3TTM menangani seluruh proses secara internal. Setelah penyerapan cahaya, elektron berpindah ke molekul tetangga, menciptakan pemisahan muatan dengan biaya energi minimal, yang dikenal sebagai 'Hubbard U'.
Dr. Petri Murto di Departemen Kimia Yusuf Hamied merancang struktur molekul untuk mengoptimalkan kontak molekul-ke-molekul dan keseimbangan energi yang diperlukan untuk pemisahan muatan ini. Inovasi ini menunjukkan potensi untuk memproduksi sel surya ringan dan berbiaya rendah dari satu material.
Penemuan ini memiliki resonansi historis, muncul pada tahun peringatan 120 tahun kelahiran Sir Nevill Mott. Profesor Friend, yang mengenal Mott di awal karirnya, merefleksikan: "Rasanya seperti menyelesaikan lingkaran. Wawasan Mott menjadi dasar bagi karir saya sendiri dan pemahaman kami tentang semikonduktor. Melihat sekarang aturan mekanika kuantum yang mendalam ini terwujud dalam kelas material organik yang benar-benar baru, dan memanfaatkannya untuk panen cahaya, benar-benar istimewa."
Profesor Bronstein menambahkan: "Kami tidak hanya meningkatkan desain lama. Kami menulis bab baru dalam buku teks, menunjukkan bahwa material organik mampu menghasilkan muatan dengan sendirinya."