Cientistas desvendam um segredo quântico de 100 anos para turbinar a energia solar

O estudo centra-se em um semicondutor orgânico radical spin conhecido como P3TTM. No núcleo de cada molécula encontra-se um elétron desemparelhado, o que lhe confere um comportamento magnético e eletrônico distinto. O trabalho é o resultado da colaboração entre o grupo de química sintética do professor Hugo Bronstein no Departamento de Química Yusuf Hamied e a equipe de física de semicondutores do professor Sir Richard Friend no Departamento de Física. Esses pesquisadores projetaram anteriormente esta família de moléculas por sua luminescência brilhante, útil em LEDs orgânicos, mas o novo artigo em Materiais da Natureza revela algo inesperado: quando as moléculas estão compactadas, seus elétrons desemparelhados interagem de maneira muito semelhante à de um isolador de Mott-Hubbard.

“Esta é a verdadeira magia”, explicou Biwen Li, pesquisadora-chefe do Laboratório Cavendish. “Na maioria dos materiais orgânicos, os elétrons estão emparelhados e não interagem com seus vizinhos. Mas em nosso sistema, quando as moléculas se agrupam, a interação entre os elétrons desemparelhados em locais vizinhos os incentiva a se alinharem alternadamente para cima e para baixo, uma marca registrada do comportamento de Mott-Hubbard. Ao absorver luz, um desses elétrons salta para seu vizinho mais próximo, criando cargas positivas e negativas que podem ser extraídas para fornecer uma fotocorrente (eletricidade). “

Para testar este efeito, a equipe construiu uma célula solar usando uma película fina de P3TTM. Quando exposto à luz, o dispositivo alcançou uma eficiência de coleta de carga quase perfeita, o que significa que quase todos os fótons recebidos foram transformados em corrente elétrica utilizável. As células solares orgânicas tradicionais requerem dois materiais – um para doar elétrons e outro para aceitá-los – e esta interface limita a eficiência. Em contrapartida, estas novas moléculas realizam todo o processo de conversão dentro de uma única substância. Depois que um fóton é absorvido, um 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, conhecida como “U de Hubbard”, representa o custo eletrostático de colocar dois elétrons na mesma molécula carregada negativamente.

Petri Murto, do Departamento de Química de Yusuf Hamied, desenvolveu estruturas moleculares que permitem o ajuste do contato molécula-a-molécula e o equilíbrio de energia governado pela física de Mott-Hubbard necessário para alcançar a separação de cargas. Este avanço significa que poderá ser possível fabricar células solares a partir de um único material leve e de baixo custo.

A descoberta carrega um profundo significado histórico. O autor sênior do artigo, Professor Sir Richard Friend, interagiu com Sir Nevill Mott no início de sua carreira. Esta descoberta surge no mesmo ano do 120º aniversário do nascimento de Mott, prestando uma homenagem adequada ao lendário físico cujo trabalho sobre interacções electrónicas em sistemas desordenados lançou as bases para a moderna física da matéria condensada.

“É como fechar o círculo”, disse o Prof. “Os insights de Mott foram fundamentais para minha carreira e para nossa compreensão dos semicondutores. Ver agora essas regras profundas da mecânica quântica se manifestando em uma classe completamente nova de materiais orgânicos e aproveitá-los para a coleta de luz é verdadeiramente especial.”

“Não estamos apenas melhorando projetos antigos”, disse o Prof. Bronstein. “Estamos escrevendo um novo capítulo no livro, mostrando que os materiais orgânicos são capazes de gerar cargas por si próprios.”