تا حالا فکر کردین سلول‌های خورشیدی از نزدیک چطوری کار می‌کنن؟ یعنی واقعاً وقتی نور می‌خوره به این پنل‌ها تو دل ماده‌شون چه اتفاقی می‌افته؟ خب بچه‌های باحال توی مرکز تحقیقاتی European XFEL بالاخره تونستن جوابشو با یه لیزر ایکس خیلی خفن پیدا کنن!
بذارین اول یه توضیح کوتاه بدم: XFEL یه نوع دستگاه لیزر ایکسه که توش یه پرتو خیلی شدید و کوتاه رو به ماده می‌زنن و بعد می‌تونن جزئی‌ترین حرکات اتم‌ها رو ببینن. اینجا تو آلمان، شهری نزدیک هامبورگ، قرار داره و جزو مجهزترین‌ها تو سراسر دنیاست.
خب حالا چی رو کشف کردن؟ تیم تحقیق به رهبری دکتر Johan Bielecki برای اولین بار تونستن ریزترین تغییرات توی ساختار اتمی سلول‌های خورشیدی رو به طور مستقیم و آشکار ببینن. یعنی تا قبل از این، ساختار اتمی سلول وقتی نور می‌خورد یه تغییرای میکروسکوپی می‌کرد که کسی خبر نداشت، اما الآن دانشمندا با این لیزر قوی دیدنش و همه رو متعجب کردن.
ماجرا اینجوریه که وقتی نور به یه سلول خورشیدی می‌رسه، یه سری الکترون (همون ذره‌هایی که تو اتم‌ها شارژ منفی دارن) تحریک می‌شن و آزادانه تو ماده حرکت می‌کنن. حالا وقتی این الکترون‌ها حرکت می‌کنن، پشت سرشون جای خالی می‌ذارن که بهشون می‌گن «حفره» یا همون hole؛ اینا یه جور کمبود الکترون هستن و خودشونم بار دارن و حرکت می‌کنن، خیلی جالب!
حالا هم الکترون‌ها و هم این حفره‌ها موقع حرکت تو شبکه اتمی ماده ریزتغییراتی ایجاد می‌کنن. این دفرمه شدن یا همون تغییر شکل ناچیز (به انگلیسی deformation) قبلاً اصلاً دیده نمی‌شد اما با کمک XFEL و فلاش‌های بسیار سریع (فمتوثانیه‌ای، یعنی یه میلیون میلیاردیم ثانیه!) تونستن روش زوم کنن. یعنی دانشمندا تونستن با تصاویر به‌شدت سریع، تعامل زوج‌های الکترون-حفره با شبکه کریستالی رو ببینن.
توی این پروژه حتی رفتن سراغ یه کوانتوم دات (Quantum dot یعنی ذره‌های فوق‌العاده کوچیک از مواد نیمه‌هادی که خواص خیلی باحال کوانتومی دارن)، ساخته‌شده از سزیم، سرب و برم (CsPbBr3). اندازه‌ش یه جوریه که فقط با نظریه کوانتوم می‌شه توضیحش داد!
حالا جالب اینه وقتی نور به این کوانتوم دات می‌تابه، باز یه عالمه جفت الکترون و حفره ساخته می‌شه و اینا اتم‌های اطراف رو می‌کشن و باعث ایجاد دندونه‌هایی تو ساختار شبکه می‌شن. این حالت بهش می‌گن «exciton-polaron»، که یعنی یه جور جفت الکترون-حفره که ساختار کریستال رو دور خودش کمی دفرمه می‌کنه.
دکتر Zhou Shen (از موسسه معروف “ماکس پلانک”) که نویسنده اصلی مقاله هم هست گفته: حتی اگه این تغییر شکل شبکه فقط روی چند تا اتم تاثیر بذاره، بازم می‌تونه خواص نوری و الکترونیکی ماده رو کلی عوض کنه. هرچی بهتر این دفرماسیون رو بفهمیم، بهتر می‌تونیم مواد قوی‌تر بسازیم، مثلاً واسه صفحه‌نمایش‌های فوق‌کارآمد یا سنسورهایی که حساسیت بالایی دارن.
در واقع، XFEL مثل یه دوربین خیلی سریع و دقیق عمل می‌کنه و با فلاش‌های کوتاه اما شدید، عکسایی می‌گیره که همه جزئیات این دفرمه شدن‌ها رو نشون می‌ده. اونا تونستن نشون بدن که حرکت این الکترون و حفره‌ها روی شبکه بلوری چقدر سریع و ریز انجام می‌شه و این خودش یه شاهکار علمی حساب می‌شه.
داده‌هایی که جمع آوری کردن به احتمال زیاد قراره راه رو برای تکنولوژی‌های خیلی پیشرفته باز کنه. از سلول‌های خورشیدی بهتر گرفته تا نمایشگرهای مدرن و حتی قطعات کامپیوترهای کوانتومی آینده. فکرش رو بکنین: شاید با کنترل این اثرات تو آینده بشه اپتوالکترونیک رو (یعنی قطعاتی که نور رو به الکتریسیته تبدیل می‌کنن و با نور کار می‌کنن) خیلی قوی‌تر و کم‌مصرف‌تر کرد.
در نهایت، نتایج این پژوهش تو ژورنال معتبر ACS Nano چاپ شده و تقریباً همه اهل فن رو هیجان‌زده کرده.
پس دفعه بعدی که یه پنل خورشیدی دیدین، بدونین تو دل اتم‌هاش چه رقص شگفت‌انگیزی زیر نور خورشید اتفاق می‌افته که حالا تازه با کمک لیزرهای ایکس تونستیم براش تصویر واقعی پیدا کنیم!
منبع: +
