剑桥大学的科学家在一种有机半导体中发现了一种隐藏的量子机制，该机制或将给太阳能领域带来革命性变革。

一项研究将现代科研成果与一个世纪前的理念相联结，科学家在一种有机半导体中发现了一种行为，此前人们一直认为这种行为只会出现在无机金属氧化物中。剑桥大学领衔的科研团队报告了一种此前未被认知的将光能转化为电能的方式。这一突破有望重塑太阳能与电子产业格局，因其能以单一材料制造出更轻便、更廉价且更简易的太阳能电池板。

该研究围绕一种名为P3TTM的自旋自由基有机半导体展开。其核心处存在一个未成对电子，赋予该分子独特的磁性和电子特性。此项目由尤素福·哈米德化学系的雨果·布朗斯坦教授领导的合成化学小组，与物理系理查德·弗兰德爵士教授带领的半导体物理小组共同开展。

他们研发出了这类能高效发光的分子，此类分子已应用于有机发光二极管中。然而，发表在《自然·材料》期刊上的这项新研究揭示了它们鲜为人知的特性：当这些分子紧密接触时，其未成对电子的相互作用方式与莫特-哈伯德绝缘体极为相似。

工作中的量子相互作用

“这才是真正的神奇之处，”卡文迪许实验室的首席研究员李必文（音译）解释道，“在大多数有机材料中，电子都是成对出现，且不会与相邻电子产生相互作用。但在我们的系统中，当分子聚集在一起时，相邻位置上未成对电子之间的相互作用会促使它们交替地上下排列，这是莫特-哈伯德行为的典型特征。当吸收光线时，其中一个电子会跃迁到最近的相邻位置，产生正负电荷，这些电荷可以被提取出来形成光电流（即电能）。”

研究团队采用P3TTM薄膜制造出太阳能电池，以此证明了这一点。当光线照射到该装置时，其电荷收集效率极高，近乎达到理论极限值，这意味着几乎每一个光子都被成功转化为可用电荷。在传统的分子半导体太阳能电池中，被吸收的光子只有处于两种不同材料的界面（其中一种材料充当电子供体，另一种充当电子受体）时，才能转化为电子和空穴（即电能），而这会降低整体效率。

相比之下，对于这些新材料而言，在吸收光子后，电子从某一分子转移到与之相同的相邻分子，这一过程在能量上是“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能”（Hubbard U），它是指分子因带负电而形成双电子占据时所需的静电充电能量。

为提升效率而设计分子

尤素福·哈米德化学系的佩特里·穆尔托（Petri Murto）博士研发出了分子结构，这种结构能够调节分子间的接触，以及实现电荷分离所需的、由莫特-哈伯德（Mott-Hubbard）物理定律所支配的能量平衡。这一突破意味着，或许有可能利用单一、低成本、轻质的材料来制造太阳能电池。

这一发现具有深远的历史意义。论文资深作者理查德·弗兰德爵士（Sir Richard Friend）教授在其职业生涯早期便与内维尔·莫特爵士（Sir Nevill Mott）有过交流。今年正值莫特诞辰120周年，这一发现可谓是对这位传奇物理学家的恰切致敬——他在无序系统中电子相互作用领域的研究为现代凝聚态物理学奠定了基础。

“这感觉就像是一个完整的轮回，”弗兰德教授说道，“莫特的见解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律在全新的一类有机材料中得以展现，并利用它们进行光收集，真是意义非凡。”

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

参考文献：李碧文（Biwen Li）、佩特里·穆尔托（Petri Murto）、里图帕诺·乔杜里（Rituparno Chowdhury）、劳拉·布朗（Laura Brown）、韩宇彤（Yutong Han）、贾科莫·隆迪（Giacomo Londi）、大卫·贝尔容（David Beljonne）、雨果·布朗斯坦（Hugo Bronstein）和理查德·H·弗兰德（Richard H. Friend）发表于2025年9月30日《自然·材料》（Nature Materials）期刊上的文章《有机自由基半导体中固有的分子间光诱导电荷分离》。 DOI：10.1038/s41563-025-02362-z

资金来源：欧洲研究理事会