For første gang, forskere fanger elektronbevægelser inde i en solcelle

Lige siden J.J. Thompsons opdagelse af elektronen i 1897, videnskabsmænd har forsøgt at beskrive den subatomære partikels bevægelse ved hjælp af en række forskellige midler. Elektroner er alt for små og hurtige til at blive set, selv ved hjælp af et lysmikroskop. Dette har gjort det meget vanskeligt at måle en elektrons bevægelse i det sidste århundrede. Imidlertid, ny forskning fra Femtosecond Spectroscopy Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), udgivet i Natur nanoteknologi , har gjort denne proces meget lettere.

"Jeg ville se elektronerne i materialet. Jeg ville se elektronerne bevæge sig, ikke blot for at forklare deres bevægelse ved at måle en ændring af lystransmission og refleksion i materialet, " sagde prof. Keshav Dani, leder af enheden. Den begrænsende faktor for at studere elektronbevægelse ved hjælp af tidligere teknikker var, at instrumenteringen enten kunne give fremragende tidsopløsning eller rumlig opløsning, men ikke begge dele. Dr. Michael Man, en postdoc ved Prof. Danis enhed, kombinerede teknikkerne med UV-lysimpulser og elektronmikroskopi for at se elektroner bevæge sig inde i en solcelle.

Hvis du kaster lys på et materiale, lysenergien kan absorberes af elektronerne og flytte dem fra en lavenergitilstand til en højere. Hvis lyspulsen, som du lyser mod materialet, er meget, meget kort, et par milliontedele af en milliardtedel af et sekund - altså et par femto sekunder - det skaber en meget hurtig ændring i materialet. Imidlertid, denne ændring varer ikke længe, da materialet går tilbage til sin oprindelige tilstand på en meget hurtig tidsskala. For at en enhed skal fungere, som i en solcelle, vi skal udvinde energi fra materialet, mens det stadig er i højenergitilstanden. Forskere ønsker at undersøge, hvordan materialer ændrer tilstand og mister energi. "I virkeligheden, du kan ikke se disse elektroner ændre tilstand på så hurtig en tidsskala. Så, det du gør er at måle ændringen i materialets reflektionsevne, Dr. Man forklarede. For at forstå, hvordan materialet ændrer sig, når det udsættes for lys, forskere udsætter materialet for en meget kort, men intens, lyspuls, der forårsager ændringen, og derefter fortsætte med at måle ændringen indført af den første impuls ved at sondere materialet med efterfølgende meget svagere lysimpulser ved forskellige forsinkelsestider efter den første impuls.

Som det første diskrete bundt af masseløs energi, eller foton, ændrer materialet, ved hurtigt at opvarme det f.eks. reflektionen af ​​de efterfølgende fotonændringer. Når materialet afkøles, refleksionen går tilbage til den oprindelige. Disse forskelle fortæller forskerne dynamikken i det observerede fænomen. "Problemet er, at du faktisk ikke direkte observerer elektrondynamikken, der forårsager ændringerne:du måler refleksionen og så prøver du at finde en forklaring baseret på fortolkningen af ​​dine data, " Prof. Dani sagde. "Du laver en model, der forklarer resultaterne af dit eksperiment. Men man kan faktisk ikke se, hvad der sker."

Prof. Danis team fandt en måde at visualisere dette fænomen i en halvlederenhed. "Når pulsen rammer materialet, det tager nogle elektroner ud, og vi bruger et elektronmikroskop, der danner et billede af, hvor de fordrevne elektroner kom fra, " sagde Dr. Man. "Hvis du gør dette mange gange, for mange fotoner, man kan langsomt opbygge et billede af fordelingen af ​​elektronerne i materialet. Så du foto-exciterer prøven, du venter på et bestemt tidspunkt, og så sonderer du din prøve, og du gentager denne proces igen og igen, holde forsinkelsen mellem den første puls af fotoner og de sonderende fotoner altid den samme." Som et endeligt resultat, får du et billede af placeringen af ​​de fleste af elektronerne i materialet på en bestemt tidsforsinkelse.

Derefter, forskerne ændrer tidsforsinkelsen mellem de to impulser - den fotospændende og den sonderende - og de skaber endnu et billede af elektronernes placering. Når først et billede er skabt, sonderingsimpulsen er yderligere forsinket, skabe en serie billeder, der beskriver elektronernes positioner i efterfølgende tider efter foto-excitationen. "Når du syr alle disse billeder sammen, du har endelig en video, " Prof. Dani sagde. "En video af, hvordan elektronerne bevæger sig i materialet efter fotoexcitation:du ser elektronerne blive ophidsede, og derefter gå tilbage til deres oprindelige tilstand."

"Vi har lavet en video af en meget fundamental proces:for første gang forestiller vi os ikke, hvad der sker inde i en solcelle, vi ser det faktisk. Vi kan nu beskrive, hvad vi ser i denne time-lapse video, vi behøver ikke længere at fortolke data og forestille os, hvad der kunne være sket inde i et materiale. Dette er en ny dør til at forstå elektronernes bevægelse i halvledermaterialer." Prof. Dani udslettede. Denne forskning giver en ny indsigt i elektronernes bevægelse, som potentielt kan ændre den måde, solceller og halvlederenheder bygges på. Denne nye indsigt bringer teknologiområdet et skridt tættere på at bygge bedre og mere effektive elektroniske enheder.