دانشمندان اولین 'فیلم' حرکت بارهای الکتریکی در سلول خورشیدی را ایجاد کردند
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا (UCSB) با استفاده از میکروسکوپ الکترونی فوق‌سریع (SUEM) اولین تصاویر از حرکت بارهای الکتریکی در مواد نیمه‌رسانا درون یک سلول خورشیدی را به دست آوردند. توانایی مشاهده بارها در عمل کمک می‌کند تا نظریه‌ها و اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم در مواد نیمه‌رسانا شفاف‌تر شوند، همانطور که در بیانیه‌ی مطبوعاتی دانشگاه آمده است.
کتاب‌های درسی علمی و صفحات اینترنت پر از نظریه‌هایی است که توضیح می‌دهند چگونه مواد نیمه‌رسانا رفتار می‌کنند و چگونه بارها درون آنها جابه‌جا می‌شوند. این نظریه در کاربردهای مختلفی مانند سلول‌های خورشیدی و تراشه‌های کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اما این کاربردها با یک شکایت مشترک مواجه هستند: تولید گرمای اضافی. چون دستگاه اغلب به صورت پیوسته عمل می‌کند، این گرما معمولاً هدر می‌رود. چه از برق یا نور خورشید استفاده شود، این به معنای هدر رفت انرژی است که می‌تواند بهبود یافته و دستگاه‌ها را با بهره‌وری انرژی بیشتری همراه کند.
راه‌حل‌ها احتمالاً در فتوکاراترها پنهان هستند.
مشاهده فتوکاراترها
عملکردهای یک سلول خورشیدی به طور معمول به این صورت توضیح داده می‌شود: نور خورشید به ماده نیمه‌رسانا برخورد می‌کند و الکترون‌ها را تحریک کرده و باعث حرکت آنها می‌شود. این حرکت جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که آنها را از 'حفره‌های' مقابل خود جدا می‌کند. جریان توسط دستگاه سلول خورشیدی جمع‌آوری شده و الکترون‌ها به حفره‌های خود برمی‌گردند.
الکترون‌های تحریک‌شده یا فتوکاراترها در زمان پیکوثانیه‌ای(۱۰^-۱۲) انرژی خود را از دست می‌دهند و سلول خورشیدی تنها بخش کوچکی از انرژی را ذخیره می‌کند. باقی به‌صورت گرما آزاد می‌شود. اگر فتوکاراترها در حالت 'داغ' زودتر به دام بیفتند، می‌توان انرژی بیشتری از آنها برداشت کرد.
با این حال، برنامه‌های مبتنی بر نیمه‌رسانا کمی پیچیده‌تر بوده و اغلب از مواد متعددی استفاده می‌کنند. الکترون‌ها باید از مرز آنها عبور کرده که به آن هتروجانکشن گفته می‌شود. تصور فتوکاراترها در عرض هتروجانکشن‌ها مشکل است و به همین دلیل تیم پژوهشی به رهبری بولین لیائو، استاد یار مهندسی مکانیک در UCSB، به میکروسکوپی الکترونی فوق‌سریع روی آوردند.
شاتر مقیاس پیکوثانیه‌ای
لیائو در بیانیه مطبوعاتی توضیح داده: "اگر بارها در مناطق یکپارچه سیلیکون یا ژرمانیوم تحریک شوند، فتوکاراترها خیلی سریع حرکت می‌کنند؛ آنها ابتدا سرعت بسیار بالایی دارند به دلیل دمای بالای آنها."
لیائو و تیم او از هتروجانکشنی از سیلیکون و ژرمانیوم استفاده کردند زیرا در پنل‌های خورشیدی و مخابرات پتانسیل کاربرد دارند. از آنجا که حرکت فتوکاراترها در پیکوثانیه‌ها رخ می‌دهد، پژوهشگران مجبور شدند شاتری در مقیاس پیکوثانیه‌ای برای به تصویر کشیدن حرکت بارها ایجاد کنند.
تیم تحقیق با استفاده از پالس‌های لیزر فوق‌سریع و ارسال پرتوهای الکترونی به هتروجانکشن برای مشاهده حرکت فعال‌شده توسط پرتو نوری، تصویربرداری کردند. لیائو افزود: "آنچه ما بحث می‌کنیم، رویدادهایی است که در این بازه زمانی پیکوثانیه تا نانوثانیه اتفاق می‌افتد."
پژوهشگران موفق به تصویربرداری از آنچه نظریه‌های نیمه‌رسانا توضیح می‌دهد، شدند. مهم‌تر از آن، توانایی میکروسکوپی الکترونی برای مطالعه دستگاه‌های نیمه‌رسانا نیز نشان داده شد.
یافته‌های تحقیقی در مجله PNAS منتشر شد.
