مجلة أقلام مرحبا بك في مجلة أقلام , هنا ستجد آخر المقالات والأخبار
تقوم بعض المواد بتحويل الفوتونات إلى شحنات مجانية أكثر مما هو متوقع. باستخدام فيلم فائق السرعة ، تمكن الباحثون الآن من الحصول على صورة لهذه العملية.
استخدم الباحثون في معهد فريتز هابر لجمعية ماكس بلانك ، والجامعة التقنية في برلين ، وجوليوس ماكسيميليانز-جامعة فورتسبورج فيلمًا فائق السرعة لالتقاط عملية انقسام الإكسيتون ، مما قد يزيد بشكل كبير من كفاءة الخلايا الشمسية. من خلال استخدام التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي بالوقت والزاوية ، لاحظوا ديناميكيات الإلكترونات على مقياس زمني فيمتوثانية وحلوا نقاشًا طويل الأمد حول الآلية الكامنة وراء تحويل فوتون واحد إلى أربع شحنات في مواد مثل البنتاسين. هذا الاكتشاف ضروري لاستخدام أشباه الموصلات العضوية في الخلايا الكهروضوئية ويمكن أن يؤدي إلى تقدم كبير في توليد الطاقة الشمسية.
تعد الخلايا الكهروضوئية ، أي تحويل الضوء إلى كهرباء ، تقنية أساسية للطاقة المستدامة. منذ أيام ماكس بلانك وألبرت أينشتاين ، نعلم أن الضوء والكهرباء يأتيان في حزم صغيرة ومكممة تسمى الفوتونات والشحنات الأولية ، وتمثل الأخيرة بالإلكترونات والثقوب.
خلايا شمسية أفضل بفضل تقسيم الإكسيتون
في الخلية الشمسية المعتادة ، يتم نقل طاقة فوتون واحد إلى شحنتين مجانيتين في المادة ، ولكن ليس أكثر من ذلك. ومع ذلك ، فإن بعض المواد الجزيئية مثل البنتاسين هي استثناء وتظهر تحويل فوتون واحد إلى أربعة شحنات ، بدلاً من ذلك. يمكن أن تكون مضاعفة الإثارة ، والتي تسمى انشطار الإكسيتون ، مفيدة للغاية للخلايا الكهروضوئية عالية الكفاءة ، وتحديداً لترقية التقنيات السائدة القائمة على السيليكون.
قام فريق من الباحثين في معهد فريتز هابر لجمعية ماكس بلانك ، والجامعة التقنية في برلين ، وجوليوس ماكسيميليانز-جامعة فورتسبورغ بفك شفرة الخطوة الأولى من هذه العملية من خلال تسجيل فيلم فائق السرعة للفوتون إلى الكهرباء. عملية التحويل ، وحل نقاش دام عقودًا حول آلية العملية.
يوضح البروفيسور رالف إرنستورفر ، أحد كبار مؤلفي الدراسة: “عندما يكون البنتاسين متحمسًا بالضوء ، فإن الشحنات الموجودة في المادة تتفاعل بسرعة”. “لقد كان سؤالًا مفتوحًا ومثيرًا للجدل حول ما إذا كان الفوتون الممتص يثير إلكترونين وثقبين بشكل مباشر أو في البداية فقط زوج ثقب إلكترون واحد ، والذي يشترك لاحقًا في طاقته مع زوج شحن آخر.” إرنستورفر هو رئيس مجموعة أبحاث ماكس بلانك في معهد فريتز هابر وأستاذ الفيزياء التجريبية في الجامعة التقنية في برلين.
لقطات من جزء من المليار من المليون من الثانية
لكشف هذا اللغز ، استخدم الباحثون مطيافية الانبعاث الضوئي ذات الوقت والزوايا ، وهي تقنية متطورة لمراقبة ديناميات الإلكترونات على مقياس زمن الفمتوثانية ، وهو جزء من المليار من المليون من الثانية. مكنتهم كاميرا الأفلام الإلكترونية فائقة السرعة من التقاط صور للإلكترونات المثارة العابرة لأول مرة.
يقول ألكسندر نيف ، من معهد فريتز هابر والمؤلف الأول للدراسة: “كانت رؤية أزواج حاملات الشحنة هذه أمرًا بالغ الأهمية لفك شفرة العملية”. “لا يمتلك زوج ثقب الإلكترون المثير طاقة معينة فحسب ، بل يتكيف أيضًا مع أنماط مميزة ، تسمى المدارات. لفهم عملية الانشطار المفرد ، من الضروري تحديد الأشكال المدارية لحاملات الشحنة وكيف تتغير هذه بمرور الوقت “.
حاسم لاستخدام أشباه الموصلات العضوية
مع وجود الصور من فيلم الإلكترون فائق السرعة في متناول اليد ، قام الباحثون بتحليل ديناميكيات حاملات الشحنة المثارة لأول مرة بناءً على خصائصها المدارية. يضيف ألكسندر نيف: “يمكننا الآن أن نقول على وجه اليقين أن زوجًا واحدًا فقط من الثقوب الإلكترونية يتم تحفيزه فورًا بعد إثارة الفوتون وتحديد آلية عملية مضاعفة حامل الشحن المجاني”.
يقول البروفيسور Jens Pflaum ، الذي يعمل فريقه بجامعة قدمت Würzburg بلورات جزيئية عالية الجودة لهذه الدراسة. سيكون لمثل هذا التقدم تأثيرات هائلة حيث ستكون الطاقة الشمسية وتوليدها بواسطة خلايا الجيل الثالث هذه مصدر طاقة مهيمن في المستقبل.
