——과학자들이 태양광 발전을 과급하기 위한 100년 된 양자 비밀을 밝혀냈습니다.

이 연구는 P3TTM으로 알려진 스핀-라디칼 유기 반도체에 중점을 두고 있습니다. 각 분자의 핵심에는 하나의 짝을 이루지 않은 전자가 있으며, 이는 독특한 자기 및 전자적 특성을 제공합니다. 이번 연구는 유수프 하미드(Yusuf Hamied) 화학과 휴고 브론스타인(Hugo Bronstein) 교수의 합성화학 그룹과 물리학과의 리차드 프렌드(Sir Richard Friend) 교수의 반도체 물리학팀이 협력한 결과이다. 이 연구자들은 이전에 유기 LED에 유용한 밝은 발광을 위해 이 분자 계열을 설계했지만 자연소재 예상치 못한 사실이 밝혀졌습니다. 분자가 서로 밀접하게 결합되면 짝을 이루지 않은 전자가 Mott-Hubbard 절연체의 전자와 매우 유사하게 상호 작용합니다.

캐번디시 연구소의 수석 연구원인 비웬 리(Biwen Li)는 “이것이 진짜 마법입니다.”라고 설명했습니다. “대부분의 유기 물질에서 전자는 짝을 이루며 이웃과 상호 작용하지 않습니다. 그러나 우리 시스템에서는 분자가 함께 묶일 때 이웃 사이트의 짝을 이루지 않은 전자 사이의 상호 작용이 교대로 위아래로 정렬하도록 장려합니다. 이는 Mott-Hubbard 행동의 특징입니다. 빛을 흡수하면 이러한 전자 중 하나가 가장 가까운 이웃으로 도약하여 추출되어 광전류(전기)를 생성할 수 있는 양전하와 음전하를 생성합니다.”

이 효과를 테스트하기 위해 팀은 P3TTM 박막을 사용하여 태양 전지를 만들었습니다. 빛에 노출되었을 때 장치는 거의 완벽한 전하 수집 효율을 달성했습니다. 이는 들어오는 거의 모든 광자가 사용 가능한 전류로 전환되었음을 의미합니다. 기존의 유기 태양전지에는 두 가지 재료(전자를 제공하는 재료와 전자를 받아들이는 재료)가 필요하며 이 인터페이스는 효율성을 제한합니다. 대조적으로, 이러한 새로운 분자는 단일 물질 내에서 전체 전환 과정을 수행합니다. 광자가 흡수된 후 전자는 자연적으로 동일한 유형의 이웃 분자로 이동하여 전하 분리를 만듭니다. “Hubbard U”로 알려진 이 과정에 필요한 소량의 에너지는 동일한 음전하 분자에 두 개의 전자를 배치하는 데 드는 정전기 비용을 나타냅니다.

Yusuf Hamied 화학과의 Petri Murto 박사는 전하 분리를 달성하는 데 필요한 분자 간 접촉과 Mott-Hubbard 물리학에 의해 관리되는 에너지 균형을 조정할 수 있는 분자 구조를 개발했습니다. 이 획기적인 발전은 단일의 저비용 경량 재료로 태양전지를 제조하는 것이 가능하다는 것을 의미합니다.

이번 발견은 역사적으로 깊은 의미를 지닌다. 논문의 수석 저자인 Richard Friend 교수는 경력 초기에 Nevill Mott 경과 교류했습니다. 이 발견은 모트 탄생 120주년이 되는 해에 나타났으며, 무질서한 시스템의 전자 상호 작용에 대한 연구로 현대 응집 물질 물리학의 토대를 마련한 전설적인 물리학자에게 적절한 경의를 표하는 것입니다.

Friend 교수는 “완전히 원을 이루는 것 같은 느낌입니다”라고 말했습니다. “Mott의 통찰력은 내 자신의 경력과 반도체에 대한 이해의 기초가 되었습니다. 이제 완전히 새로운 종류의 유기 물질에서 나타나는 이러한 심오한 양자 역학 규칙을 보고 이를 빛 수확에 활용하는 것은 정말 특별합니다.”

Bronstein 교수는 “우리는 단지 오래된 디자인을 개선하는 것이 아닙니다”라고 말했습니다. “우리는 유기 물질이 스스로 전하를 생성할 수 있음을 보여줌으로써 교과서의 새로운 장을 쓰고 있습니다.”