Numa descoberta que liga a ciência moderna a uma ideia explorada pela primeira vez há um século, os investigadores testemunharam um fenómeno surpreendente que antes se pensava ser possível apenas com óxidos metálicos inorgânicos dentro de moléculas semicondutoras orgânicas brilhantes. A descoberta, liderada por cientistas da Universidade de Cambridge, revela uma forma nova e eficiente de capturar luz e convertê-la em eletricidade. A descoberta poderá remodelar o futuro da tecnologia solar e da eletrónica, abrindo caminho para painéis solares leves e acessíveis, feitos de um único material.
A pesquisa se concentra em um semicondutor orgânico radical de spin chamado P3TTM. Cada molécula possui um elétron desemparelhado em seu núcleo, o que lhe confere um comportamento magnético e eletrônico único. Este trabalho é o resultado de uma colaboração entre o grupo de química sintética do Professor Hugo Bronstein no Departamento de Química de Yusuf Hamied e o grupo de física de semicondutores do Professor Richard Friend no Departamento de Física. Esses pesquisadores projetaram anteriormente esta família de moléculas para uso em LEDs orgânicos devido às suas propriedades de emissão de luz brilhante, mas o artigo recentemente publicado materiais naturais Revelou algo inesperado: quando as moléculas estão compactadas, seus elétrons desemparelhados interagem entre si, como em um isolador de Mott-Hubbard.
“Essa é a verdadeira magia”, explica Biwen Li, pesquisadora-chefe do Laboratório Cavendish. “Na maioria dos materiais orgânicos, os elétrons estão emparelhados e não interagem com os elétrons vizinhos. Mas em nosso sistema, quando as moléculas se unem, as interações entre os elétrons desemparelhados em locais adjacentes fazem com que eles alternem para cima e para baixo, uma marca registrada do comportamento de Mott-Hubbard. Depois de absorver a luz, um dos elétrons salta para o vizinho mais próximo, criando cargas positivas e negativas que podem ser extraídas para criar fotocorrente (eletricidade). “
Para testar este efeito, a equipe construiu células solares usando filmes P3TTM. Quando exposto à luz, o dispositivo atinge uma eficiência de coleta de carga quase perfeita, o que significa que quase todos os fótons incidentes são convertidos em uma corrente elétrica utilizável. As células solares orgânicas tradicionais requerem dois materiais – um que doa elétrons e outro que os aceita – e essa interface limita a eficiência. Em contraste, estas novas moléculas completam todo o processo de conversão dentro de uma única substância. Depois que um fóton é absorvido, o elétron se move naturalmente para uma molécula vizinha do mesmo tipo, criando uma separação de cargas. A pequena quantidade de energia necessária para este processo é chamada de “U de Hubbard” e representa o custo eletrostático de colocar dois elétrons na mesma molécula carregada negativamente.
Yusuf Hamied Dr. Petri Murto do Departamento de Química desenvolveu uma estrutura molecular que regula os contatos molécula-a-molécula e o equilíbrio de energia controlado pela física de Mott-Hubbard para alcançar a separação de cargas. A inovação significa que é possível fabricar células solares a partir de um único material leve e de baixo custo.
Esta descoberta tem um profundo significado histórico. O professor Sir Richard Friend, autor sênior do artigo, interagiu com Sir Neville Mott no início de sua carreira. A descoberta, que ocorre no mesmo ano do 120º aniversário do nascimento de Mott, presta homenagem ao lendário físico cujo trabalho sobre interações de elétrons em sistemas desordenados lançou as bases para a física moderna da matéria condensada.
“É como fechar o círculo”, disse o professor Friend. “Os insights de Mott lançaram as bases para minha própria carreira e nossa compreensão dos semicondutores. É realmente especial ver agora essas regras profundas da mecânica quântica se manifestarem em materiais orgânicos inteiramente novos e explorá-los para coleta de luz.”
“Não estamos apenas melhorando um projeto antigo”, disse o professor Bronstein. “Estamos escrevendo um novo capítulo nos livros didáticos, mostrando que os materiais orgânicos podem gerar cargas por conta própria”.
