长期以来，科学家们一直在探索清洁电子领域的终极目标：一种无须复杂连接或掺杂层即可发光和发电的单一有机材料。
如今，剑桥大学的研究人员宣布他们已经实现了这一目标，他们发现了一种能够将电荷直接从光吸收中分离出来的有机自由基半导体。这一突破代表了此前认为此类材料不可能实现的壮举。
在发表于《自然材料》杂志的一项研究中，剑桥大学领导的研究小组首次在有机自由基半导体（一种由每个分子都含有一个未配对电子的分子构成的材料）中观察到了“本征分子间光诱导电荷分离”。这一发现为新一代轻质柔性器件铺平了道路，这些器件既能收集光，又能发射光，有望无须外部电路即可利用阳光自行供电。
据研究人员介绍，关键在于他们的材料——三苯基取代的（2,4,6-三氯苯基）三甲基，简称“P3TTM”——在分子接触时的行为。当光照射到这种材料上时，电子会自然地在相邻的自由基之间跳跃，产生可以在电场下独立移动的正电荷和负电荷。
实际上，研究人员已经展示了一种“同质结”——一种发生在单个有机化合物内的电荷分离过程。研究人员写道：“这为利用单材料分子半导体进行光收集开辟了可能性。”他们强调，这种现象可以消除太阳能电池和LED中使用的传统多层设计的需求。
卡文迪什实验室的共同作者兼研究员李必文表示：“这才是真正的魔力所在。在大多数有机材料中，电子是成对的，不会与相邻的电子相互作用。但在我们的系统中，当分子堆积在一起时，相邻位置上未配对电子之间的相互作用促使它们上下交替排列，这是莫特-哈伯德行为的标志。吸收光后，其中一个电子会跃迁到其最近的邻居上，产生正电荷和负电荷，这些正电荷和负电荷可以被提取出来，从而产生光电流（电能）。”
大多数有机半导体依靠分子对（一个供体和一个受体）来形成一个连接点，光激发的电子和空穴可以在该连接点分离。相比之下，自由基半导体的分子中有一个未配对电子，该电子位于所谓的单占据分子轨道（SOMO）上。
传统上，这些自由基，因其明亮的发光和稳定性而备受推崇，使其在有机LED领域前景广阔。但它们在电荷产生方面的潜力在很大程度上仍未被探索。
研究人员的实验表明，当P3TTM分子紧密堆积时，它们在吸收光后会自发形成电荷对。利用时间分辨光谱，研究人员观
察到该材料发出两种不同的颜色：在645纳米处快速发光，随后在800纳米左右出现延迟的红移发射。这微弱的余晖最终成为确凿的证据——P3TTM阴离子和阳离子（或分离的电荷）之间发生复合的证据。
进一步测试使用了二极管结构（一种仅由夹在电极之间的P3TTM制成的薄膜器件），结果表明，在反向偏压下，该材料可以实现接近100%的电荷收集效率。换句话说，几乎每个被吸收的光子都能产生可用的电荷。
这一结果之所以非同寻常，是因为电荷分离通常需要异质结，即两种能级不同的材料之间的边界。例如，在硅太阳能电池中，光会产生弱结合的电子-空穴对（称为激子），它们必须通过电场或材料界面才能分离。然而，在P3TTM中，这种分离在同一分子网络内自然发生。
该机制依赖于电子能级的微妙平衡。研究人员发现，将第二个电子添加到自由基的SOMO轨道所需的“额外能量”低于初始激发态的能量。这使得光激发电子能够跃迁到相邻的分子，留下一个带正电的伙伴，即一个独立的阴离子-阳离子对。
在他们的二极管测试中，这种自由基驱动过程产生的光电流饱和电流为每平方厘米45毫安，远超用传统有机半导体红荧烯制成的控制器件的性能。结果证实，这种效应源于自由基材料本身，不依赖于任何外部界面或掺杂剂。
这一发现可能对可再生能源和下一代电子产品产生重大影响。利用单一有机薄膜发电的能力，可以实现自供电传感器、可穿戴医疗设备，甚至无须外部布线的太阳能充电OLED显示器。（逸文）
