Kwantowe tajemnice P3TTM o rewolucyjnym potencjale
Wszystko zaczęło się od materiału oznaczonego jako P3TTM, który okazał się skrywać niezwykłe właściwości kwantowe. To w nim specjaliści zidentyfikowali mechanizm dotychczas obserwowany wyłącznie w materiałach nieorganicznych. Jest to o tyle ciekawe, że odkrycie tego typu nawiązuje do prac sprzed stu lat, co pokazuje, że przeszłość naukowa może jeszcze nie raz przypomnieć o sobie ze zdwojoną siłą.
To jest prawdziwa magia. W większości materiałów organicznych elektrony są sparowane i nie oddziałują ze swoimi sąsiadami. Ale w naszym systemie, kiedy cząsteczki ściśle się pakują, interakcja między niesparowanymi elektronami w sąsiednich miejscach zachęca je do naprzemiennego ustawiania się w górę i w dół – wspomina Biwen Li, główny autor badania.
Mechanizm ten przypomina zachowanie izolatora Motta-Hubbarda, co stanowi prawdziwą niespodziankę w świecie materiałów organicznych. Kiedy światło pada na ten materiał, elektrony zaczynają zachowywać się w niezwykły sposób, przeskakując między cząsteczkami i tworząc ładunki elektryczne gotowe do wykorzystania.
Czym naprawdę wyróżnia się P3TTM?
Przechodząc do konkretów, P3TTM charakteryzuje się przerwą energetyczną wynoszącą 1,72 eV, co przekłada się na emisję światła o długości około 720 nanometrów. W trakcie eksperymentów naukowcy zaobserwowali dwa rodzaje jego świecenia, bo natychmiastowe przy 645 nm oraz opóźnione, pojawiające się po mikrosekundzie przy 800 nm. Ta druga składowa wynika z rekombinacji par anionów i kationów, co potwierdza skuteczność procesu separacji ładunku.
Najbardziej imponującym osiągnięciem zespołu było stworzenie urządzenia o niemal 100-procentowej wydajności zbierania ładunku. Oznacza to, że praktycznie każdy foton światła padający na materiał zostaje przekształcony w użyteczny ładunek elektryczny. Tego typu odkrycie łamie fundamentalne ograniczenia konwencjonalnych ogniw słonecznych, gdzie konwersja energii wymaga styku dwóch różnych materiałów. Tutaj cały proces zachodzi w obrębie identycznych cząsteczek tego samego materiału, co stanowi prawdziwy przełom w myśleniu o fotowoltaice.
Czytaj też: Tego jeszcze nie było. Pierwszy na świecie sensowny akumulator wodorkowy
Równie istotne są potwierdzenia teoretyczne. Obliczenia kwantowo-chemiczne metodą TDDFT wykazały obecność międzymolekularnych stanów transferu ładunku singletowych leżących około 0,4 eV poniżej zlokalizowanych ekscytonów P3TTM. Ta różnica energii doskonale zgadza się z obserwowanymi cechami fotoluminescencji. Badacze oszacowali też wydajność kwantową fotogeneracji ładunku na poziomie do 40 procent, co z kolei jest wartością niezwykle wysoką jak na materiały organiczne. Dodatkowo silny efekt pola magnetycznego na emisji przesuniętej ku czerwieni potwierdza, że międzymolekularny transfer ładunku zależy od stanu spinowego par P3TTM.
Jaką furtkę otwiera nowe osiągnięcie w sektorze fotowoltaiki?
Klasyczne ogniwa krzemowe i większość organicznych potrzebują złącza donor-akceptor, czyli granicy między dwoma różnymi materiałami, aby rozdzielić fotoekscyton na swobodne ładunki. W P3TTM rozdzielanie ładunku zachodzi w obrębie jednego materiału dzięki szczególnemu upakowaniu cząsteczek i silnym oddziaływaniom spinowym przypominającym izolator Motta-Hubbarda, co tworzy międzymolekularne stany transferu ładunku sprzyjające spontanicznej separacji elektron-dziura. To usuwa najbardziej kłopotliwy element architektury ogniwa (precyzyjne, drogie i podatne na degradację interfejsy) i otwiera drogę do jednowarstwowych, prostszych w produkcji fotoogniw, które można wytwarzać metodami rolowymi, na elastycznych podłożach i z mniejszym śladem węglowym.
Z praktycznego więc punktu widzenia, możliwość produkcji paneli słonecznych z jednego materiału eliminuje potrzebę tworzenia skomplikowanych interfejsów donor-akceptor. To z kolei może znacząco uprościć produkcję i obniżyć koszty, choć naturalnie droga od odkrycia laboratoryjnego do komercjalizacji zwykle bywa długa i pełna wyzwań. Jeśli uda się przełożyć te wyniki na technologie przemysłowe, możemy spodziewać się prostszych, tańszych i bardziej wydajnych paneli słonecznych, co z kolei może przyspieszyć transformację energetyczną na świecie. Jednak zanim to nastąpi, konieczne będą dalsze badania i testy w warunkach rzeczywistych.