科学家揭开百年量子之谜，让太阳能更强大

这项研究以一种名为P3TTM的自旋自由基有机半导体为核心。每个分子的中心都有一个未成对电子，这赋予了它独特的磁性和电子行为。该研究是优素福·哈米德化学系雨果·布朗斯坦教授的合成化学团队与物理系理查德·弗里德爵士教授的半导体物理团队合作的成果。研究人员此前设计这类分子是因其明亮的发光特性，可用于有机发光二极管（OLED），但发表在《自然·材料》上的新论文揭示了一个意外发现：当这些分子紧密堆积时，它们的未成对电子会像莫特-哈伯德绝缘体中的电子那样相互作用。
卡文迪许实验室的首席研究员李文斌（Biwen Li）解释道：“这才是真正的神奇之处。在大多数有机材料中，电子是成对的，不会与邻近电子相互作用。但在我们的体系中，当分子堆积在一起时，相邻位置上未成对电子之间的相互作用会促使它们交替向上和向下排列，这是莫特-哈伯德行为的标志。吸收光线后，其中一个电子会跳到最近的邻近分子上，产生正负电荷，这些电荷可以被提取出来形成光电流（ electricity）。”
为测试这种效应，团队用P3TTM薄膜构建了太阳能电池。当暴露在光线下时，该器件实现了近乎完美的电荷收集效率，这意味着几乎每个入射光子都被转化为可用电流。传统有机太阳能电池需要两种材料——一种提供电子，另一种接受电子——而这种界面会限制效率。相比之下，这些新分子在单一物质内完成整个转换过程。光子被吸收后，电子会自然移动到相邻的同类型分子上，实现电荷分离。这一过程所需的少量能量被称为“哈伯德能（Hubbard U）”，代表将两个电子置于同一个带负电分子上的静电成本。
优素福·哈米德化学系的佩特里·穆托（Petri Murto）博士开发了分子结构，能够调节分子间的接触以及莫特-哈伯德物理所主导的能量平衡，以实现电荷分离。这一突破意味着，或许可以用单一、低成本、轻质的材料制造太阳能电池。
这一发现具有深远的历史意义。论文的资深作者理查德·弗里德爵士教授在职业生涯早期曾与内维尔·莫特爵士有过交集。这一发现恰逢莫特诞辰120周年，恰是对这位传奇物理学家的致敬——他关于无序系统中电子相互作用的研究为现代凝聚态物理奠定了基础。
“这感觉像是一个圆满的循环，”弗里德教授说，“莫特的见解对我的职业生涯以及我们对半导体的理解都至关重要。如今，看到这些深刻的量子力学规则在全新的有机材料类别中显现，并被用于光捕获，这真的很特别。”
“我们不仅仅是在改进旧设计，”布朗斯坦教授说，“我们正在书写教科书的新篇章，表明有机材料能够自行产生电荷。”