科学家在有机材料内观测到量子效应

新研究发现有机分子可以模拟无机材料的量子力学行为，以非凡效率将光能转化为电能。这一发现为制造超轻太阳能电池板开辟了新途径。图片来源：美国每日科学网站

英国剑桥大学卡文迪什实验室的科学家，首次在有机材料中观测到一种曾被认为仅存在于无机金属氧化物中的量子效应。这些特殊的有机分子能借助该量子机制，以极高效率将光能转化为电能。这一突破有望催生更简单、更轻便、更廉价的太阳能电池。相关研究成果发表于新一期《自然·材料》杂志。

此次研究聚焦于一种名为P3TTM的自旋自由基有机半导体。在这种材料中，每个分子的核心都有一个不成对的“单身”电子，使其具备独特的磁性与电子行为。此前，研究团队曾设计出这一分子家族，用于制造高亮发光的有机LED。

然而，最新研究揭示了一个意想不到的现象：当这些分子紧密堆积时，其间的“单身”电子会展现出所谓的“莫特-哈伯德绝缘体”行为。也就是说，相邻位置上的“单身”电子之间相互作用，促使它们交替上下排列。长久以来，科学界普遍认为这种独特的量子现象仅存在于某些特定的无机金属氧化物内。

这些“单身”电子在吸收光能之后瞬间获得能量，挣脱束缚，“跃迁”至邻近分子的空间。这一跃迁引发连锁反应：它原先所在位置因失去一个带负电的电子，形成一个带正电的“空穴”；而它跃入的分子因多出一个电子而整体带负电。一次光照，就在材料内部干净利落地分离出正负电荷。这些自由移动的电荷可通过外部电极收集，形成持续电流。

为验证这一点，研究团队利用P3TTM薄膜构建了一个太阳能电池。实验显示，在光照下，该器件实现了近乎完美的电荷收集效率，几乎每一个入射光子都被转化为可用电流。传统有机太阳能电池需要两种材料分别提供和接收电子，限制了效率。相比之下，新材料仅凭单一物质即可完成整个转化过程。此外，新分子结构还可调节分子间接触与电荷分离所需的能量平衡，有望用低成本、轻质的材料制造太阳能电池。