ケンブリッジ大学の研究者らが有機半導体で量子現象を発見し、光から電気への高効率変換を可能にしました。このブレークスルーは、P3TTM分子におけるMott-Hubbard挙動を伴い、単一材料から作られるよりシンプルで安価な太陽光パネルにつながる可能性があります。この発見は1世紀前の基礎物理学とつながり、物理学者サー・ネヴィル・モットの生誕120周年を記念します。
2025年にNature Materialsに掲載された研究で、ユスフ・ハミード化学科のヒューゴ・ブロンスタイン教授と物理学科のサー・リチャード・フレンド教授が率いるケンブリッジ大学の科学者らは、スピンラジカル有機半導体P3TTMに予期せぬ量子効果を明らかにしました。この分子は非対称電子を持ち、独自の磁気的および電子的特性を有します。分子が密に詰まると、非対称電子はMott-Hubbard絶縁体のような相互作用を示し、この挙動は以前は無機金属酸化物でのみ観察されていました。
「これが本当の魔法です」と、キャベンディッシュ研究所の主任研究者ビウェン・リー氏が説明します。「ほとんどの有機材料では、電子は対になっており、隣接するものと相互作用しません。しかし、私たちのシステムでは、分子が詰まると、隣接サイトの非対称電子間の相互作用が、それらを交互に上向きと下向きに整列させることを促し、これはMott-Hubbard挙動の特徴です。光を吸収すると、これらの電子の一つが最も近い隣に飛び移り、正と負の電荷を生み出し、これを抽出して光電流（電気）を生成します。」
チームはP3TTMの薄膜を使った太陽電池を構築し、ほぼ完璧な電荷収集効率を達成しました—ほぼすべての光子を利用可能な電流に変換します。従来の有機太陽電池とは異なり、電子供与と受容に2つの材料を必要とするのに対し、P3TTMは内部で全プロセスを処理します。光吸収後、電子が隣の分子に移動し、最小のエネルギーコストで電荷分離を生み出し、これを「Hubbard U」と呼びます。
ユスフ・ハミード化学科のペトリ・ムルト博士は、分子間接触とこの電荷分離に必要なエネルギー平衡を最適化するための分子構造を設計しました。この革新は、単一材料から軽量で低コストの太陽電池を製造する可能性を示唆します。
この発見は歴史的な響きを持ち、サー・ネヴィル・モットの生誕120周年の年に現れました。キャリア初期にモットを知っていたフレンド教授は、「これで円が閉じたような気がします。モットの洞察は私のキャリアと半導体の理解の基礎でした。今、これらの深い量子力学的ルールが全く新しい有機材料のクラスで現れ、光収穫に活用されるのを見るのは本当に特別です。」と振り返りました。
ブロンスタイン教授は付け加えました。「私たちは古い設計を改善しているだけではありません。教科書の新しい章を書いています。有機材料が自ら電荷を生成できることを示しています。」