Ученые открыли новый эффективный механизм генерации электричества в органических материалах
Международная группа исследователей совершила прорыв в области органической электроники, обнаружив ранее неизвестный эффективный механизм разделения электрических зарядов в особом классе материалов — стабильных органических радикалах. Работа, опубликованная в авторитетном журнале Nature Materials, открывает путь к созданию упрощенных и высокоэффективных органических солнечных элементов и светодиодов на основе всего одного компонента.
Традиционные органические полупроводники для генерации электрического тока требуют сложной гетероструктуры, где используются два разных материала — донор и акцептор электронов. Главная проблема заключается в том, что свет рождает в таких материалах связанные пары «электрон-дырка» (экситоны), которые сложно разделить для получения тока. Новое исследование демонстрирует, что этот барьер можно преодолеть с помощью нейтральных радикальных полупроводников.
Ученые сфокусировались на материале под названием P3TTM. С помощью методов сверхбыстрой лазерной спектроскопии и квантово-химического моделирования они обнаружили, что при освещении взаимодействие между двумя одинаковыми молекулами радикала приводит к необычному эффекту. Одна молекула отдает другой свой неспаренный электрон, в результате чего образуется полностью разделенная пара из отрицательно заряженного аниона и положительно заряженного катиона. Этот процесс, происходящий между идентичными молекулами, коренным образом отличается от стандартного механизма в закрыто-оболочечных полупроводниках.
Экспериментальное подтверждение эффективности этого механизма было получено при создании фотодетектора на основе чистого слоя P3TTM. Устройство показало близкую к 100% эффективность сбора фотогенерированных зарядов при приложении напряжения. Для сравнения, контрольное устройство на основе классического органического полупроводника рубрена продемонстрировало эффективность менее 5%. Это доказывает, что новый материал способен к эффективному разделению зарядов в объеме без необходимости сложных донорно-акцепторных интерфейсов.
Открытие не только предлагает практическое решение для упрощения и потенциального удешевления органической электроники, но и меняет фундаментальное понимание природы фотолюминесценции в радикалах. Длительное красное свечение, которое ранее приписывали образованию эксимеров, теперь может быть объяснено рекомбинацией тех самых разделенных ионных пар. Это исследование закладывает основу для нового направления в разработке материалов для энергетики и спинтроники.