A pesquisa sobre o semicondutor orgânico P3TTM

O estudo centra-se em um semicondutor orgânico conhecido como P3TTM. No núcleo de cada molécula reside um elétron desempareado, que lhe confere comportamentos magnéticos e eletrônicos distintos. O trabalho é 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 já haviam projetado esta família de moléculas pela sua luminiscência intensa, útil em LEDs orgânicos, mas o novo artigo na Nature Materials revela algo inesperado: quando as moléculas são empilhadas próximas umas das outras, seus elétrons desemparedos interagem de maneira semelhante àquelas em um isolante de Mott-Hubbard.

A interação dos elétrons e a geração de eletricidade

“Essa é a verdadeira mágica”, explicou Biwen Li, a pesquisadora principal no Laboratório Cavendish. “Na maioria dos materiais orgânicos, os elétrons estão emparelhados e não interagem com seus vizinhos. Mas no nosso sistema, quando as moléculas se empilham, a interação entre os elétrons desemparedos em locais vizinhos os incentiva a se alinharem alternadamente para cima e para baixo, uma marca 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 gerar uma corrente fotovoltaica (eletricidade).”

A eficiência do novo dispositivo solar

Para testar esse efeito, a equipe construiu uma célula solar utilizando um filme fino de P3TTM. Quando exposto à luz, o dispositivo alcançou uma eficiência de coleta de carga quase perfeita, significando que quase todos os fótons que entraram foram convertidos em corrente elétrica utilizável. As células solares orgânicas tradicionais requerem dois materiais – um para doar elétrons e outro para aceitá-los – e essa interface limita a eficiência. Em contraste, essas novas moléculas realizam todo o processo de conversão dentro de uma única substância. Após um fóton ser absorvido, um elétron se move naturalmente para uma molécula vizinha do mesmo tipo, criando separação de carga. A pequena quantidade de energia necessária para esse processo, conhecida como “Hubbard U”, representa o custo eletrostático de colocar dois elétrons na mesma molécula carregada negativamente.

Desenvolvimentos e implicações futuras

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

Importância histórica da descoberta

A descoberta tem uma significância histórica profunda. 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 interações eletrônicas em sistemas desordenados estabeleceu as bases para a física moderna da matéria condensada.

“Parece que estamos completando um ciclo”, disse Prof. Friend. “Os insights de Mott foram fundamentais para minha própria carreira e para nossa compreensão dos semicondutores. Agora ver essas profundas regras de mecânica quântica se manifestando em uma nova classe de materiais orgânicos, e poder aproveitá-las para a captação de luz, é verdadeiramente especial.”

“Não estamos apenas melhorando designs antigos”, disse Prof. Bronstein. “Estamos escrevendo um novo capítulo no livro didático, mostrando que materiais orgânicos são capazes de gerar cargas por conta própria.”