科學家在有機材料內觀測到量子效應

科技日報記者 劉霞

英國劍橋大學卡文迪什實驗室的科學家，首次在有機材料中觀測到一種曾被認為僅存在於無機金屬氧化物中的量子效應。這些特殊的有機分子能借助該量子機制，以極高效率將光能轉化為電能。這一突破有望催生更簡單、更輕便、更廉價的太陽能電池。相關研究成果發表於新一期《自然·材料》雜誌。

此次研究聚焦於一種名為P3TTM的自旋自由基有機半導體。在這種材料中，每個分子的核心都有一個不成對的“單身”電子，使其具備獨特的磁性與電子行為。此前，研究團隊曾設計出這一分子家族，用於製造高亮發光的有機LED。

然而，最新研究揭示了一個意想不到的現象：當這些分子緊密堆積時，其間的“單身”電子會展現出所謂的“莫特-哈伯德絕緣體”行為。也就是説，相鄰位置上的“單身”電子之間相互作用，促使它們交替上下排列。長久以來，科學界普遍認為這種獨特的量子現象僅存在於某些特定的無機金屬氧化物內。

這些“單身”電子在吸收光能之後瞬間獲得能量，掙脱束縛，“躍遷”至鄰近分子的空間。這一躍遷引發連鎖反應：它原先所在位置因失去一個帶負電的電子，形成一個帶正電的“空穴”；而它躍入的分子因多出一個電子而整體帶負電。一次光照，就在材料內部乾淨利落地分離出正負電荷。這些自由移動的電荷可通過外部電極收集，形成持續電流。

為驗證這一點，研究團隊利用P3TTM薄膜構建了一個太陽能電池。實驗顯示，在光照下，該器件實現了近乎完美的電荷收集效率，幾乎每一個入射光子都被轉化為可用電流。傳統有機太陽能電池需要兩種材料分別提供和接收電子，限制了效率。相比之下，新材料僅憑單一物質即可完成整個轉化過程。此外，新分子結構還可調節分子間接觸與電荷分離所需的能量平衡，有望用低成本、輕質的材料製造太陽能電池。