Кембриджские учёные обнаружили фотоэлектрические свойства в органическом радикальном полупроводнике
Аккумулятор FIAMM FG 11201
По словам исследователей, их новое открытие может открыть путь к производству более простых солнечных панелей из одного материала.
Тонкая плёнка p3TTM излучает красный свет в возбуждённом состоянии радикального дуплета
Исследователи из Кембриджского университета в Великобритании утверждают, что обнаружили фотоэлектрические свойства у светящейся молекулы органического полупроводника, известной как поли(3-трифенилметилтиофен (P3TTM).
В отличие от обычных органических полупроводников, в которых есть спаренные электроны, органические радикальные полупроводники содержат по крайней мере один неспаренный электрон на молекулу, что придаёт им свойства «открытой оболочки».
«В большинстве органических материалов электроны образуют пары и не взаимодействуют с соседями, — говорит ведущий автор исследования Бивен Ли. — Но в нашей системе, когда молекулы группируются, взаимодействие между неспаренными электронами на соседних участках заставляет их чередоваться — это отличительная черта поведения Мотта-Хаббарда».
Эффект Мотта — Хаббарда возникает в материалах, где электрон-электронные взаимодействия особенно сильны. В P3TTM каждую молекулу можно представить в виде дома, в котором находится один электрон. Когда свет возбуждает электрон, он может перескочить в соседнюю молекулу. «При поглощении света один из этих электронов перемещается к ближайшему соседу, создавая положительные и отрицательные заряды, которые можно использовать для получения фототока», — объяснили исследователи.
Чтобы проверить это, исследователи изготовили экспериментальный солнечный элемент с использованием плёнки P3TTM. Устройство состоит из слоя PEDOT:PSS на оксиде индия-олова (ITO), слоя бакминстерфуллерена (C60), прослойки из метилового эфира фенил-C61-маслянной кислоты (PCBM) и алюминиевого (Al) контакта.
По словам команды исследователей, при стандартном освещении эффективность сбора заряда солнечным элементом составила почти единицу.
«Это означает, что почти каждый фотон света был преобразован в полезный электрический заряд, — заявили исследователи. — В обычных молекулярных полупроводниковых солнечных элементах преобразование фотонов в заряд обычно происходит только на границе раздела двух материалов: один из них выступает в качестве донора электронов, а другой — в качестве акцептора, что ограничивает общую эффективность».
«В отличие от этого, в новых материалах после поглощения фотона энергия перемещает электрон от одной молекулы к идентичной соседней, создавая электрические заряды, — добавили они. — Энергия, необходимая для этого, известная как «U Хаббарда», представляет собой электростатическую стоимость двойной электронной занятости отрицательно заряженной молекулы».
Исследователи подчеркнули, что это открытие может позволить изготавливать солнечные батареи из одного недорогого и лёгкого материала.
Их выводы изложены в исследовании «Внутреннее межмолекулярное фотоиндуцированное разделение зарядов в органических радикальных полупроводниках», опубликованном в nature materials.
«Эта работа открывает возможности для изучения процессов выработки энергии и солнечной химии как в растворах, так и в твёрдом состоянии с использованием всего одного компонента», — заключили они.