اكتشف الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني آلية جديدة يمكن من خلالها الحصول على التأثير الكهروضوئي في طبقات رقيقة من أشباه الموصلات
يمكن لطريقة مبتكرة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، تم اكتشافها مؤخرًا، أن تنير مستقبل التكنولوجيا الكهروضوئية. اكتشف الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني آلية جديدة يمكن من خلالها الحصول على التأثير الكهروضوئي في طبقات رقيقة من أشباه الموصلات. يتغلب هذا الطريق المبتكر لإنتاج الطاقة على قيود فجوة النطاق في الجهد الكهربائي، وهو القيد الذي يستمر في إبطاء تطوير الخلايا الشمسية ذات الحالة الصلبة الفعالة.
أثناء عمل الباحثين على البزموت الفريت، وهي مادة خزفية مكونة من البزموت والحديد والأكسجين وهي متعددة الحديد، أي أنها تظهر في الوقت نفسه كلاً من الخواص الكهروضوئية والمغناطيسية الحديدية - اكتشفوا أن نتيجة الطاقة الكهروضوئية يمكن أن تظهر بشكل مستقل عند النانومتر المستوى بسبب التركيب البلوري الخاص للمادة - معيني الشكل مشوه. بالإضافة إلى ذلك، أثبتوا أن تفعيل مجال كهربائي على المادة يسمح للباحثين بتغيير هذا الهيكل البلوري وبالتالي التحكم في خصائصها الكهروضوئية.
وقال جان سايدل، الباحث الفيزيائي الذي أجرى الدراسة: "نحن متحمسون للعثور على وظيفة لم يتم ملاحظتها سابقًا على مستوى النانومتر في مادة متعددة الحديد". "نحن نعمل الآن على الاستفادة من هذه الفكرة للأجهزة المتعلقة بأبحاث الطاقة عالية الكفاءة." ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.
في قلب الخلايا الشمسية من النوع الصلب يوجد وصلة pn، وهي الواجهة بين طبقة أشباه الموصلات المملوءة بـ "ثقوب" موجبة الشحنة (منافذ تم إزالة الإلكترونات منها)، وطبقة مملوءة بإلكترونات سالبة الشحنة. عندما يتم امتصاص الفوتونات من إشعاع الشمس، فإن الطاقة الموجودة فيها تخلق أزواجًا من الثقوب الإلكترونية التي يمكن أن تنفصل في منطقة تعرف باسم "منطقة الاستنفاد"، وهي مجمع مجهري في تقاطع pn يبلغ حجمه بضعة ميكرومترات فقط، و ومن ثم يتم تجميعها ككهرباء، ولكن لكي تحدث هذه العملية، يجب أن تخترق الفوتونات المادة وتصل إلى منطقة النقص ويجب أن تتطابق طاقتها تمامًا مع طاقة فجوة شريط شبه الموصل - فجوة الطاقة بين التوصيل الفرقة وفرقة التكافؤ.
يوضح الباحث: "الجهد الأقصى الذي تستطيع الأجهزة الكهروضوئية التقليدية ذات الحالة الصلبة إنتاجه يساوي طاقة فجوة النطاق الإلكتروني الخاصة بها". "حتى بالنسبة لما يسمى بالخلايا التسلسلية، حيث يتم توصيل العديد من وصلات أشباه الموصلات معًا، فإن الجهد الكهربي لا يزال محدودًا بسبب عمق اختراق الضوء المحدود في المادة."
اكتشف الباحثون أنه من خلال تسليط الضوء الأبيض على فريت البزموت، وهي مادة ذات خصائص كهربية ومضادة للمغناطيسية الحديدية، يمكنهم إنتاج جهد كهربائي ضوئي من مجمعات دون مجهرية يتراوح قطرها بين نانومتر واحد واثنين نانومتر. كان هذا الجهد أعلى بكثير من فجوة النطاق الإلكتروني للمادة.
"طاقة فجوة النطاق من الفريت البزموت تساوي 2.7 فولت. نعلم من قياساتنا أنه باستخدام الآلية التي اكتشفناها فإننا قادرون على إنتاج جهد يبلغ حوالي 16 فولت على مسافة 200 ميكرون. علاوة على ذلك، فإن هذا الجهد يتناسب بشكل أساسي بشكل مباشر مع المسافة، أي أن المسافات الأكبر قد تؤدي إلى استقبال فولتات أعلى.
خلف هذه الآلية الحديثة لإنتاج الجهد الكهروضوئي توجد جدران حدودية - طبقات ثنائية الأبعاد تعبر المادة وتكون بمثابة مناطق انتقالية تفصل بين المجمعات المختلفة ذات الخصائص المغناطيسية والكهرومغناطيسية. وفي بحثهم، وجد العلماء أن هذه الجدران الحدودية يمكن استخدامها لنفس الغرض تمامًا مثل مناطق الاستنفاد لفصل الثقب عن الإلكترون، ولها مزايا فريدة.
يوضح الباحث: "إن الأبعاد الصغيرة جدًا لهذه الجدران الفاصلة تجعل من الممكن تكديس عدد كبير منها في مصفوفة من الطبقات، جنبًا إلى جنب، بحيث يصل إليها إشعاع الشمس". "ونتيجة لذلك، من الممكن زيادة القيم الكهروضوئية أعلى بكثير من فجوة النطاق الإلكتروني للمادة."
يتم الحصول على النتيجة الكهروضوئية لأنه في الجدران الحدودية يتغير اتجاه استقطاب فريت البزموت، وهي حقيقة تؤثر على الإمكانات الكهروستاتيكية. من خلال معالجات التلدين للركيزة التي "ينمو عليها فريت البزموت"، يمكن التأثير على بلوراته المعينية لإنتاج جدران حدودية تغير اتجاه استقطاب المجال الكهربائي بمقدار: 71، 109 أو 180 درجة. قام الباحثون بقياس الجهد الذي تم الحصول عليه عن طريق التغيير عند 71 و 109 درجة.
وتمكن الباحثون أيضًا من استخدام نبض كهربائي بجهد 200 فولت لعكس قطبية الخرج الكهروضوئي أو حتى إلغائه تمامًا. لم يتم الإبلاغ عن مثل هذه القدرة على التحكم في النتيجة الكهروضوئية من قبل للأنظمة الكهروضوئية التقليدية، وهذه القدرة تمهد الطريق لتطوير تطبيقات جديدة في مجالات البصريات النانوية والإلكترونيات النانوية.
ويضيف الباحث الرئيسي: "على الرغم من أننا لم نعرض بعد هذه التطبيقات والأجهزة الجديدة المحتملة، إلا أننا نعتقد أن بحثنا سيقدم أفكارًا وأفكارًا بناءً على هذا الاتجاه الجديد للتأثير الكهروضوئي".
