Forskare vid University of Cambridge har upptäckt ett kvantfenomen i ett organiskt halvledarmaterial som möjliggör mycket effektiv omvandling av ljus till elektricitet. Detta genombrott, som involverar Mott-Hubbard-beteende i molekylen P3TTM, kan leda till enklare och billigare solpaneler tillverkade av ett enda material. Upptäckten kopplar till grundläggande fysik från för ett sekel sedan och markerar 120-årsdagen av fysikern Sir Nevill Motts födelse.
I en studie publicerad i Nature Materials 2025 avslöjade forskare ledda av professor Hugo Bronstein från Yusuf Hamied Department of Chemistry och professor Sir Richard Friend från Department of Physics vid University of Cambridge en oväntad kvanteffekt i det spin-radikala organiska halvledarmaterialet P3TTM. Denna molekyl har en oparat elektron, vilket ger den unika magnetiska och elektroniska egenskaper. När molekyler packas tätt interagerar deras oparade elektroner på ett sätt som liknar de i en Mott-Hubbard-isolator, ett beteende som tidigare bara observerats i oorganiska metalloxider.
"Detta är den verkliga magin", förklarade Biwen Li, huvudforskaren vid Cavendish Laboratory. "I de flesta organiska material är elektronerna parade och interagerar inte med sina grannar. Men i vårt system, när molekylerna packas ihop, uppmuntrar interaktionen mellan oparade elektroner på närliggande platser dem att alignera sig alternerande upp och ner, ett kännetecken för Mott-Hubbard-beteende. Vid ljusabsorbtion hoppar en av dessa elektroner till sin närmaste granne och skapar positiva och negativa laddningar som kan extraheras för att ge en fotoström (elektricitet)."
Teamet konstruerade en solcell med en tunn film av P3TTM, som uppnådde nästan perfekt laddningsinsamlingseffektivitet – och konverterade nästan varje foton till användbar ström. Till skillnad från traditionella organiska solceller som kräver två material för elektron donering och acceptans hanterar P3TTM hela processen internt. Efter ljusabsorbtion flyttar en elektron till en granne molekyl och skapar laddningsseparation med minimal energikostnad, känd som 'Hubbard U'.
Dr. Petri Murto vid Yusuf Hamied Department of Chemistry designade molekylstrukturer för att optimera molekyl-till-molekyl-kontakt och energibalansen som krävs för denna laddningsseparation. Denna innovation antyder potentialen för att tillverka lätta, billiga solceller från ett enda material.
Upptäckten har historisk resonans och dyker upp i året för 120-årsdagen av Sir Nevill Motts födelse. Professor Friend, som kände Mott tidigt i sin karriär, reflekterade: "Det känns som att sluta cirkeln. Motts insikter var grundläggande för min egen karriär och vår förståelse av halvledare. Att nu se dessa djupa kvantmekaniska regler manifesteras i en helt ny klass av organiska material, och utnyttja dem för ljusupptagning, är verkligen speciellt."
Professor Bronstein tillade: "Vi förbättrar inte bara gamla designer. Vi skriver ett nytt kapitel i läroboken och visar att organiska material kan generera laddningar helt på egen hand."