剑桥大学：一种 P3TTM有机分子光电转换效率100%- 将改变太阳能收集方式-

来源：University of Cambridge

一项跨越百年物理学的发现，科学家们观察到一种曾被认为是无机金属氧化物领域的现象，如今却在发光的有机半导体分子中蓬勃发展。这项由剑桥大学牵头的突破揭示了一种强大的光能收集和转化为电能的全新机制。这可能会重新定义太阳能和电子产品的未来，并带来由单一材料制成的更轻、更便宜、更简单的太阳能电池板。

“我们不只是在改进旧设计。我们正在为教科书撰写新的篇章，展示有机材料能够自行产生电荷。”

雨果·布朗斯坦

这项研究的重点是一种名为 P3TTM 的自旋自由基有机半导体分子。其中心有一个未配对的电子，赋予其独特的磁性和电子特性。这项工作源于尤素夫·哈米德（Yusuf Hamied）化学系 Hugo Bronstein 教授领导的合成化学团队与物理系 Richard Friend 爵士教授领导的半导体物理团队的合作。他们开发了这类分子，使其能够像在有机 LED 中那样高效发光。但这项发表在《自然材料》杂志上的新研究揭示了它们隐藏的潜力：当它们紧密接触时，它们的未配对电子会以与莫特-哈伯德绝缘体惊人相似的方式相互作用。

“这才是真正的魔力，”卡文迪什实验室首席研究员李必文解释道。“在大多数有机材料中，电子是成对的，不会与相邻的电子相互作用。但在我们的系统中，当分子聚集在一起时，相邻位置上未配对电子之间的相互作用促使它们上下交替排列，这是莫特-哈伯德行为的标志。吸收光后，其中一个电子会跃迁到其最近的邻居身上，产生正电荷和负电荷，这些电荷可以被提取出来，从而产生光电流（电能）。”

该团队通过使用 P3TTM 薄膜制作太阳能电池证明了这一点。当光线照射到该装置时，其电荷收集效率达到了惊人的接近 1，这意味着几乎每个光子都被转换成可用的电荷。在传统的分子半导体太阳能电池中，被吸收的光子转化为电子和空穴（电能）只能在两种不同材料的界面处进行，其中一种材料充当电子供体，另一种材料充当电子受体，这会影响整体效率。相比之下，对于这些新材料，光子被吸收后，电子从一个分子移动到相邻的相同分子，在能量上是“下坡”的，从而产生电荷。这一过程所需的能量通常被称为“哈伯德 U”，是带负电的分子被双倍电子占据时的静电充电能量。

尤素夫·哈米德化学系的佩特里·穆尔托博士开发了一种分子结构，可以调节分子间的接触，并根据莫特-哈伯德物理学定律控制能量平衡，从而实现电荷分离。这一突破意味着，用单一、低成本的轻质材料制造太阳能电池将成为可能。

莫特-哈伯德基本能级。

这一发现具有深远的历史意义。该论文的资深作者理查德·弗伦德爵士教授在其职业生涯早期曾与内维尔·莫特爵士有过交流。这一发现恰逢莫特诞辰120周年，是对这位传奇物理学家的致敬，莫特在无序体系中电子相互作用方面的研究为现代凝聚态物理学奠定了基础。

“感觉就像回到了原点，”弗兰德教授说道。“莫特的洞见为我的职业生涯以及我们对半导体的理解奠定了基础。如今，看到这些深刻的量子力学规则在一类全新的有机材料中得以体现，并利用它们进行光收集，这真是太特别了。”

“我们不仅仅是在改进旧设计，”布朗斯坦教授说道，“我们正在为教科书谱写新的篇章，展示有机材料能够自行产生电荷。”

这项工作主要由欧洲研究委员会（资助编号 101020167）资助。

参考：

Li, B., Murto, P., Chowdhury, R. 等人，《有机自由基半导体中的本征分子间光诱导电荷分离》，Nat. Mater. (2025)。DOI：10.1038/s41563-025-02362-z

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