اولین تصویربرداری از حرکت بارهای الکتریکی در سلول خورشیدی_طلوع شرق

 محققان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا(UCSB) از میکروسکوپ الکترونی فوق سریع روبشی(SUEM) برای ثبت اولین تصاویر از بارهای الکتریکی در حال حرکت در مواد نیمه رسانا در یک سلول خورشیدی منفعت گیری کردند.

در بیانیه مطبوعاتی این دانشگاه آمده است که توانایی مشاهده بارهای الکتریکی در عمل به تعیین نظریه‌ها و اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم در مواد نیمه رسانا پشتیبانی می‌کند.

کتاب‌های درسی علوم و صفحات اینترنتی مملو از نظریه‌ها در رابطه چگونگی حرکت مواد نیمه‌رسانا و نحوه حمل بار در آنها می باشند. این نظریه در کاربردهای مختلفی از سلول‌های خورشیدی گرفته تا تراشه‌های رایانه‌ای منفعت گیری می‌شود.

با این حال، این کاربردها همه انها یک مشکل مشترک دارند و آن، تشکیل گرمای اضافی است. از آنجا که دستگاه‌ها زیاد تر به طور مداوم کار می‌کنند، این گرما زیاد تر خارج می‌شود. چه با برق و چه پرتوهای خورشید، انرژی اتلاف می‌شود و می‌توان آن را بهبود بخشید تا دستگاه‌ها را در مصرف انرژی کارآمدتر کند.

سرنخ‌های انجام این کار به گمان زیادً در حامل‌های الکترون‌ها نهان است.

کارکرد یک سلول خورشیدی طبق معمولً به شرح زیر توضیح داده می‌شود: نور خورشید به مواد نیمه رسانا برخورد می‌کند و الکترون‌ها را تحریک می‌کند و علتحرکت آنها می‌شود. این حرکت، جریانی تشکیل می‌کند و آنها را از سوراخ‌های دارای بار ناموافق جدا می‌کند. این جریان توسط دستگاه سلول خورشیدی جمع‌آوری می‌شود و الکترون‌ها به سوراخ‌های خود بازمی‌گردند.

الکترون‌های برانگیخته یا حامل‌های الکترون، انرژی خود را ظرف چند پیکوثانیه(۱۰ به توان منفی ۱۲) از دست خواهند داد و سلول خورشیدی تنها قسمت کوچکی از انرژی را جذب می‌کند و بقیه انرژی به طور گرما آزاد می‌شود.

این در حالی است که اگر حامل‌های الکترون‌ها سریعتر در حالت «گرم» دستگیر شوند، انرژی بیشتری می‌توان از آنها برداشت کرد.

با این حال، برنامه‌های کاربردی مبتنی بر نیمه رسانا مقداری پیچیده‌تر می باشند و زیاد تر از چندین ماده منفعت گیری می‌کنند. الکترون‌ها باید در سطح مشترک خود حرکت کنند که به آن پیوند ناهمگون حرف های می‌شود. تجسم حامل‌های الکترون‌ها در سراسر اتصالات ناهمگون دشوار است و به همین علت است که تیم تحقیقاتی به رهبری بولین لیائو(Bolin Liao) دانشیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا سانتاباربارا به میکروسکوپ الکترونی فوق سریع روی آوردند.

ضبط در مقیاس پیکوثانیه

لیائو در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: اگر بارهای الکتریکی را در مناطق یکنواخت سیلیکون یا ژرمانیوم تحریک کنید، حامل‌های الکترون‌ها زیاد زیاد سریع حرکت می‌کنند. آنها در ابتدا به علت دمای بالا شدت زیاد بالایی دارند، اما اگر باری را در نزدیکی محل اتصال تحریک کنید، کسری از حامل‌ها در واقع توسط پتانسیل اتصال به دام می‌افتند که شدت آنها را افت می‌دهد.

لیائو و گروهش در تحقیقات خود از پیوند ناهمگون سیلیکون و ژرمانیوم منفعت گیری کردند، چون کاربردهای بالقوه‌ای در صفحات خورشیدی و ارتباطات مخابراتی دارند.

از آنجایی که حرکت حامل‌های الکترون‌ها در چند پیکو ثانیه اتفاق می‌افتد، محققان ناچار شدند یک شاتر در مقیاس پیکوثانیه تشکیل کنند تا تصویری از بارهای در حال حرکت را ثبت کنند.

این تیم از پالس‌های لیزری فوق سریع برای شلیک پرتوهای الکترونی در اتصال ناهمگون منفعت گیری کردند تا حرکت فعال شده توسط یک پرتو نوری را تصویربرداری کنند.

لیائو می‌گوید: آنچه در رابطه آن سخن بگویید می‌کنیم، رویدادهایی است که در این پنجره وقتی چند پیکو ثانیه‌ای تا نانو ثانیه‌ای اتفاق می‌افتند. اساساً ما در تلاش هستیم تا وضوح وقتی را به میکروسکوپ‌های الکترونی اضافه کنیم.

محققان در تجسم آنچه که نظریه نیمه رسانا توضیح می‌دهد، موفق بودند. مهم‌تر از آن، توانایی میکروسکوپ الکترونی برای مطالعه دستگاه‌های نیمه رسانا را نیز مشخص می کند.

یافته‌های این پژوهش در مجله PNAS انتشار شده است.