Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge vừa công bố phát hiện mang tính bước ngoặt về một phân tử bán dẫn hữu cơ mới có khả năng tạo ra tấm pin mặt trời nhẹ hơn, đơn giản hơn và được cấu tạo hoàn toàn từ một vật liệu duy nhất. Khám phá này chứng minh điều ngược lại so với những gì mà các nhà vật lý nhận định “bất khả thi” trong suốt gần một thế kỷ qua.
Nhóm nghiên cứu đã phát hiện một cơ chế thu ánh sáng mạnh mẽ, trước đây chỉ xuất hiện ở vật liệu vô cơ như oxit kim loại. Cơ chế này hoạt động hiệu quả trong một phân tử hữu cơ có tên P3TTM.
Giáo sư Hugo Bronstein, tác giả chính, cho biết: “Chúng tôi không chỉ cải tiến các thiết kế cũ mà đang viết lại một chương mới trong sách giáo khoa, chứng minh rằng vật liệu hữu cơ cũng có thể tự tạo ra điện tích”.
Điểm đặc biệt của phân tử này nằm ở electron đơn lẻ không ghép đôi ở lõi, tạo nên những tính chất điện tử và từ tính khác thường. Theo nhà nghiên cứu Biwen Li, chìa khóa nằm ở cách các phân tử tương tác: khi được sắp xếp chặt chẽ, các electron chưa ghép đôi sẽ xen kẽ chiều lên - xuống, hình thành hành vi Mott-Hubbard, vốn chỉ được thấy ở các oxit kim loại phức tạp.
Khi hấp thụ ánh sáng, một electron sẽ “nhảy” sang phân tử lân cận, tạo ra các điện tích dương và âm có thể dễ dàng trích xuất để sinh ra dòng điện. Nhóm đã chứng minh nguyên lý này bằng cách chế tạo một tấm pin mặt trời từ màng P3TTM có thể đạt hiệu suất chuyển đổi gần như hoàn hảo, khi hầu hết photon hấp thụ đều biến thành điện năng khả dụng.
Khác với các thiết kế truyền thống cần hai vật liệu để tách điện tích, P3TTM tự tạo điện tích giúp đơn giản hóa cấu trúc, giảm chi phí sản xuất và mở ra khả năng tạo pin mặt trời đơn vật liệu. Khám phá này cũng là lời tri ân đến Sir Nevill Mott, người đặt nền tảng cho vật lý vật chất ngưng tụ hiện đại.
Đồng tác giả, giáo sư Sir Richard Friend, chia sẻ: “Những hiểu biết của Mott là nền tảng cho sự nghiệp của tôi. Việc thấy các quy luật lượng tử đó thể hiện trong một lớp vật liệu hữu cơ hoàn toàn mới là điều phi thường”.
Phát hiện này không chỉ giải quyết một bài toán vật lý tồn tại gần thế kỷ mà còn mở ra hướng phát triển pin mặt trời hiệu suất cao, dễ chế tạo, góp phần đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng bền vững.
Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống