一種新型有機半導體分子可能會導致更輕便且簡單的太陽能電池板，完全由單一材料製成。幾乎一個世紀以來，物理學一直認為這無法用單一且簡單的有機材料實現。然而，隨著劍橋大學的發現，這一可能性正在變得現實。研究團隊觀察到一種強大的光捕獲機制，這種機制長期以來被認為僅限於無機材料（如金屬氧化物）。這一有趣的機制在一種名為 P3TTM 的簡單、有光輝的有機半導體分子中蓬勃發展。
劍橋大學於 10 月 1 日公佈了這一發現，形容這一成果是「連接了一個世紀的物理學」。研究的作者之一、教授 Hugo Bronstein 在新聞稿中表示：「我們不僅僅是在改進舊的設計。我們正在寫下一個教科書的新篇章，顯示有機材料能夠自我產生電荷。」P3TTM 的化學結構旁邊是 P3TTM 薄膜的發光照片：一層薄膜從激發態的自由基雙重態發出紅光。
這項研究集中於這種獨特的分子，即自旋自由基有機半導體。在這種分子的核心中，存在一個單一的未配對電子，這賦予了它獨特的電子和磁性特質。根據首席研究員 Biwen Li 的說法，這一發現的關鍵在於分子之間的相互作用。當這些分子緊密堆疊時，鄰近位置的未配對電子會交替向上和向下對齊。這種相互作用是凝聚態物理學中所謂的 Mott-Hubbard 行為的特徵，這一現象此前僅限於複雜的無機金屬氧化物。
這種跳躍行為瞬間產生正負電荷（電流），可以輕易提取。Li 指出：「這才是真正的魔力。當吸收光線時，其中一個電子跳向其最近的鄰居，生成可以提取的正負電荷，從而產生光電流（電力）。」為了展示這一概念，團隊利用 P3TTM 分子的薄膜製作了一個太陽能電池。當設備受到光照時，實現了驚人的轉換率，達到「接近單位電荷收集效率」。這一轉換率顯示，幾乎所有吸收的光子都轉化為可用電力。
與此相比，傳統設計依賴於兩種材料之間的界面——一種用於捐贈電子，另一種用於接受電子——以分離電荷並產生電力。值得注意的是，這一新的有機材料能夠獨自生成電荷。專家們在這項新研究中創造了分子結構，以控制分子之間的接觸並保持 Mott-Hubbard 能量平衡。這一設計提供了實現電荷分離的關鍵，並可能為製造單一材料的低成本太陽能電池鋪平道路。此外，這一發展向物理學家 Sir Nevill Mott 致敬，他在電子相互作用方面的工作為現代凝聚態物理學奠定了基礎。
如今，數十年後，他的量子力學規則正在被用來推動未來。論文的首席作者，教授 Sir Richard Friend 表示：「Mott 的洞察對我自己的職業生涯以及我們對半導體的理解至關重要。現在看到這些深刻的量子力學規則在一類全新的有機材料中展現出來，並將其用於光捕獲，這實在是特殊。」通過解決一個長達一個世紀的物理問題，劍橋大學的合作團隊開辟了一條創造高效、易於製造的太陽能電池的新途徑，從而加速可持續能源的轉型。這些發現已發表在《自然材料》期刊上。
