En un hallazgo notable que une un siglo de investigación científica, investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto un fenómeno que alguna vez se pensó exclusivo de los óxidos metálicos inorgánicos y que ahora aparece en una molécula semiconductora orgánica brillante. Este avance presenta un método nuevo y eficiente para capturar la luz y convertirla en electricidad, lo que podría revolucionar la tecnología solar y la electrónica. El resultado podría conducir al desarrollo de paneles solares ligeros y rentables fabricados a partir de un solo material.
La investigación se centra en un semiconductor orgánico de radicales de espín conocido como P3TTM. Cada molécula de P3TTM contiene un electrón desapareado, lo que le confiere propiedades magnéticas y electrónicas únicas. Este estudio es el resultado de una colaboración entre el grupo de química sintética del profesor Hugo Bronstein y el equipo de física de semiconductores del profesor Sir Richard Friend. Los investigadores habían sintetizado previamente estas moléculas por su brillante luminiscencia, que es beneficiosa en los LED orgánicos. Sin embargo, sus últimos hallazgos han sido publicados en Materiales naturales ha descubierto un fenómeno inesperado: cuando estas moléculas están muy empaquetadas, sus electrones desapareados imitan las interacciones observadas en un aislante Mott-Hubbard.
«Esta es la verdadera magia», dice Biwen Li, investigador principal del Laboratorio Cavendish. «En la mayoría de los materiales orgánicos, los electrones se emparejan y no interactúan con los electrones vecinos. En nuestro sistema, sin embargo, las moléculas muy juntas alientan a los electrones no apareados a alternar su orientación (arriba y abajo), lo que refleja el comportamiento de Mott-Hubbard. Cuando las moléculas absorben luz, un electrón puede saltar a una molécula vecina y generar cargas positivas y negativas que produce la fotocorriente. «
Para investigar más a fondo este efecto, el equipo construyó una célula solar a partir de una fina película de P3TTM. El dispositivo mostró una impresionante eficiencia de recolección de carga, convirtiendo con éxito casi todos los fotones entrantes en corriente eléctrica utilizable. A diferencia de las células solares orgánicas tradicionales que requieren dos materiales diferentes (un donante y un aceptor), estas nuevas moléculas pueden gestionar todo el proceso de conversión de carga dentro de una sola sustancia. Después de la absorción de fotones, un electrón migra naturalmente a una molécula adyacente del mismo tipo, provocando la separación de cargas. El pequeño costo de energía asociado con este movimiento, conocido como «U de Hubbard», refleja la penalización electrostática de colocar dos electrones en la misma molécula cargada negativamente.
El Dr. Petri Murto, miembro integral del Departamento de Química de Yusuf Hamied, diseñó estructuras moleculares que facilitan la sintonía del contacto entre moléculas y la dinámica energética dictada por la física de Mott-Hubbard necesaria para una separación efectiva de cargas. Estos avances indican la posibilidad de crear células solares fabricadas a partir de un único material, económico y ligero.
Es significativo que este descubrimiento tenga peso histórico. El profesor Sir Richard Friend, autor principal del artículo, tiene vínculos personales con el fallecido físico legendario Sir Nevill Mott, con quien trabajó al principio de su carrera. Esta revelación coincide con el 120 aniversario del nacimiento de Mott y sirve como un tributo apropiado al trabajo innovador que realizó sobre las interacciones de electrones en sistemas desordenados, que sentó las bases de la física moderna de la materia condensada.
«Parece como si hubiéramos cerrado el círculo», señaló el profesor Friend. «Las ideas de Mott fueron cruciales para mi propio viaje y han tenido un gran impacto en el campo de los semiconductores. Es extremadamente gratificante ser testigo del surgimiento de estos profundos principios de la mecánica cuántica en una nueva clase de materiales orgánicos y aplicarlos a la recolección de luz».
Destacando la naturaleza transformadora de sus hallazgos, el profesor Bronstein dijo: «No sólo estamos mejorando los diseños existentes; estamos creando un nuevo capítulo en el libro de texto de ciencia, demostrando que los materiales orgánicos tienen la capacidad de generar cargas de forma independiente».
