محققان کالیفرنیا نخستین تصاویر حرکت بارهای الکتریکی در سلول خورشیدی را ضبط کردند
محققان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا با استفاده از می‌کروسکوپ الک‌ترونی فوق سریع روبشی (SUEM) موفق شدند نخستین تصاویر از بارهای الکتریکی در حال حرکت در مواد نیمه‌رسانای یک سلول خورشیدی را ثبت کنند.
به بیان این دانشگاه، امکان مشاهده مستقیم بارهای الکتریکی در عمل، پایه‌های نظری و اندازه‌گیری‌های غیر‌مستقیم در مواد نیمه‌رسانا را تقویت می‌کند.
کتاب‌های درسی و منابع علمی پر از نظریه‌هایی درباره نحوه حرکت مواد نیمه‌رسانا و انتقال بار در آن‌هاست که کاربرد‌های گسترده‌ای از سلول‌های خورشیدی تا تراشه‌های رایانه‌ای را پوشش می‌دهند.
با این حال، تمام این کاربرد‌ها با یک چالش مشترک روبرو هستند تولید گرمای اضافی. با افزایش کارکرد مداوم دستگاه‌ها، این گرما بیش‌تر خارج شده و انرژی هدر می‌رود که می‌توان با بهینه‌سازی آن، کارایی انرژی دستگاه‌ها را افزایش داد.
راه‌حل این مسئله احتمالا در درک رفتار حامل‌های الک‌ترون نهفته است.
مکانیزم کارکرد یک سلول خورشیدی به این صورت است که نور خورشید به مواد نیمه‌رسانا برخورد کرده، الک‌ترون‌ها را تحریک و به حرکت در می‌آورد. این حرکت جریانی را شکل می‌دهد که الک‌ترون‌ها را از سوراخ‌های دارای بار مخالف جدا کرده و دستگاه آن را جمع‌آوری می‌کند.
الک‌ترون‌های تحریک‌شده یا حامل‌های بار، در عرض چند پیکوثانیه (یک تریلیوم ثانیه) انرژی خود را از دست می‌دهند و سلول خورشیدی تنها بخش کوچکی از این انرژی را جذب کرده، باقی‌مانده به صورت گرما آزاد می‌شود.
اگر حامل‌های الک‌ترون در حالت گرم سریع‌تر کنترل شوند، می‌توان انرژی بیش‌تری از آن‌ها استخراج کرد.
با این حال، کاربرد‌های مبتنی بر نیمه‌رسانا پیچیده‌ترند و معمولا از چندین ماده تشکیل شده‌اند. الک‌ترون‌ها باید در سطح مشترک خود، یعنی پیوند ناهمگون، حرکت کنند. تجسم حامل‌های الک‌ترون در سراسر این اتصالات دشوار است و به همین دلیل تیم تحقیقاتی به رهبری بولین لیائو، دانشیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، به سمت می‌کروسکوپ الک‌ترونی فوق سریع روی آوردند.
ضبط در مقیاس پیکوثانیه
لیائو در بیانیه‌ای اظهار داشت اگر بارهای الکتریکی در نواحی یکنواخت سیلیکون یا ژرمانیوم تحریک شوند، حامل‌های الک‌ترون با سرعت بسیار بالایی حرکت می‌کنند. آن‌ها در ابتدا به دلیل دمای بالا انرژی زیادی دارند، اما اگر تحریک در نزدیکی محل اتصال اتفاق بیفتد، کسری از حامل‌ها توسط پتانسیل اتصال دام می‌شوند و سرعتشان کاهش می‌یابد.
لیائو و گروهش در تحقیقات خود از پیوند ناهمگون سیلیکون و ژرمانیوم استفاده کردند، زیرا این مواد کاربرد‌های بالقوه‌ای در سلول‌های خورشیدی و ارتباطات مخابراتی دارند.
با توجه به اینکه حرکت حامل‌های الک‌ترون در چند پیکوثانیه رخ می‌دهد، محققان ناچار شدند یک شاتر در مقیاس پیکوثانیه بسازند تا تصویری از بارهای در حال حرکت ثبت کنند.
این تیم از پالس‌های لیزری فوق سریع برای شلیک پرتو‌های الک‌ترونی در اتصال ناهمگون بهره بردند تا حرکت ناشی از یک پرتو نوری را تصویربرداری کنند.
لیائو می‌گوید ما رویداد‌هایی را بررسی می‌کنیم که در بازه زمانی چند پیکوثانیه تا نانوثانیه رخ می‌دهند. در اصل ما در تلاش هستیم تا وضوح زمانی را به می‌کروسکوپ‌های الک‌ترونی اضافه کنیم.
محققان در تجسم پدیده‌هایی که نظریه نیمه‌رسانا پیش‌بینی می‌کند، موفق بوده‌اند. مهم‌تر از آن، این کار قابلیت می‌کروسکوپ الک‌ترونی برای مطالعه دستگاه‌های نیمه‌رسانا را نیز آشکار می‌کند.
یافته‌های این پژوهش در مجله PNAS منتشر شده است.