اولین تصویربرداری از حرکت بارهای الکتریکی در سلول خورشیدی

 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 استفاده 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 کمک می‌کند.

کتاب‌های درسی علوم و صفحات اینترنتی مملو از نظریه‌ها در مورد چگونگی رفتار مواد نیمه‌رسانا و نحوه حمل بار در آنها هستند. این نظریه در کاربردهای مختلفی از سلول‌های خورشیدی گرفته تا تراشه‌های رایانه‌ای استفاده می‌شود.

با این حال، این کاربردها همگی یک مشکل مشترک دارند و آن، تولید گرمای اضافی است. از آنجا که دستگاه‌ها اغلب به طور مداوم کار می‌کنند، این گرما اغلب 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 احتمالاً در حامل‌های الکترون‌ها پنهان است.

عملکرد یک سلول خورشیدی معمولاً به شرح زیر توضیح داده می‌شود: نور خورشید به مواد نیمه رسانا برخورد می‌کند و الکترون‌ها را تحریک می‌کند و باعث حرکت آنها می‌شود. این حرکت، جریانی ایجاد می‌کند و آنها را از سوراخ‌های دارای بار مخالف 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 می‌دهند و سلول خورشیدی تنها بخش کوچکی از انرژی را جذب می‌کند و بقیه انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود.

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

با این حال، برنامه‌های کاربردی مبتنی بر نیمه رسانا کمی پیچیده‌تر هستند و اغلب از چندین ماده استفاده می‌کنند. الکترون‌ها باید در سطح مشترک خود حرکت کنند که به آن پیوند ناهمگون گفته می‌شود. تجسم حامل‌های الکترون‌ها در سراسر اتصالات ناهمگون دشوار است و به همین دلیل 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 توضیح داد: اگر بارهای الکتریکی را در مناطق یکنواخت سیلیکون یا ژرمانیوم تحریک کنید، حامل‌های الکترون‌ها بسیار بسیار سریع حرکت می‌کنند. آنها در ابتدا به دلیل دمای بالا سرعت بسیار بالایی دارند، اما اگر باری را در نزدیکی محل اتصال تحریک کنید، کسری از حامل‌ها در واقع توسط پتانسیل اتصال به دام می‌افتند که سرعت آنها را کاهش می‌دهد.

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

از آنجایی که حرکت حامل‌های الکترون‌ها در چند پیکو ثانیه اتفاق می‌افتد، محققان مجبور شدند یک شاتر در مقیاس پیکوثانیه ایجاد 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 استفاده کردند تا حرکت فعال شده توسط یک پرتو نوری را تصویربرداری کنند.

لیائو می‌گوید: آنچه در مورد آن صحبت می‌کنیم، رویدادهایی است که در این پنجره زمانی چند پیکو ثانیه‌ای تا نانو ثانیه‌ای اتفاق می‌افتند. اساساً ما در تلاش هستیم تا وضوح زمانی 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 نشان می‌دهد.

یافته‌های این پژوهش در مجله PNAS منتشر شده است.