کشف یک ماده نو برای سلول‌های خورشیدی با میکروسکوپ جدید
- مجموعه: اخبار علمی و آموزشی
- تاریخ انتشار : یکشنبه, 29 آبان 1401 09:44
به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، یک روش شناسایی جدید که توسط گروهی از پژوهشگران در آزمایشگاه ملی ایمز (Ames National Laboratory) در وزارت انرژی آمریکا ابداع شده، پنجره‌ای نادر به مواد جایگزین بالقوه برای سلول‌های خورشیدی فراهم کرده است.
جیگانگ وانگ، دانشمند ارشد آزمایشگاه ایمز و گروهش یک میکروسکوپ ساخته‌اند که از امواج تراهرتز برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد نمونه‌های مواد استفاده می‌کند. سپس پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ خود، پروسکایت متیل آمونیوم سرب یدید (MAPbI3) را به عنوان ماده‌ای که در نهایت می‌تواند جایگزین سیلیکون در سلول‌های خورشیدی شود، شناسایی کردند.
قدرت تراهرتز
ریچارد کیم، دانشمند آزمایشگاه ایمز، دو ویژگی را که میکروسکوپ کاوشگر پویشی جدید را متمایز می‌کند، تشریح کرد.
این میکروسکوپ ابتدا اطلاعات مواد را با استفاده از فرکانس‌های الکترومغناطیسی در محدوده تراهرتز جمع‌آوری می‌کند. این محدوده فرکانسی که بین فرکانس‌های فروسرخ و مایکروویو است، به طور قابل توجهی پایین‌تر از طیف نور مرئی است. سپس یک نوک فلزی تیز که نور تراهرتز را دریافت می‌کند، توانایی این میکروسکوپ را برای مشاهده اجسام در مقیاس نانو افزایش می‌دهد.
میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی (Scanning probe microscopy) از یک کاوشگر یا پراب (probe) که روی نمونه حرکت می‌کند، برای بررسی سطح نمونه‌ها استفاده می‌کنند. با استفاده از این میکروسکوپ‌ها علاوه بر توپوگرافی سطح، می‌توان راجع به اصطکاک، مغناطش، خواص حرارتی و الاستیسیته‌ی سطح نیز اطلاعاتی بدست آورد که با استفاده از روش‌های دیگر قابل دستیابی نیستند.
در این میکروسکوپ، نوک یک پراب سالم و ایده آل، بسیار تیز است، به طوری که در نوک آن تنها یک اتم جای می‌گیرد. بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار است و به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند در حد نانومتر، کوچکترین پستی یا بلندی‌ها را در سطح نمونه بررسی نماید و با استفاده از تجهیزات و نرم افزارهای موجود در دستگاه، داده‌های بدست آمده را به صورت تصویر بر نمایشگر نمایش دهد. بسیاری از میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی می‌توانند تعداد زیادی از تصاویر را همزمان بگیرند.
کیم می‌گوید: به طور معمول، اگر موج نوری داشته باشید، نمی‌توانید چیزهایی کوچکتر از طول موج نوری را که استفاده می‌کنید، ببینید و برای این نور تراهرتز، طول موج حدود یک میلی‌متر است، بنابراین بسیار بزرگ است. اما در اینجا ما از این نوک فلزی تیز استفاده کردیم که تا شعاع 20 نانومتری تیز شده است و به عنوان آنتن ما عمل می‌کند تا چیزهای کوچکتر از طول موجی که استفاده می‌کردیم را ببینیم.
پروسکایت‌ها یک کلاس منحصر به فرد از نیمه‌رساناها یا نیمه‌هادی‌ها هستند که وقتی در معرض نور مرئی قرار می‌گیرند، یک بار الکتریکی حمل می‌کنند. بزرگترین مشکل در استفاده از MAPbI3 در سلول‌های خورشیدی این است که وقتی در معرض گرما و رطوبت قرار می‌گیرد، به سرعت تخریب می‌شود.
این گروه از میکروسکوپ خود برای مطالعه MAPbI3 استفاده کرد که به تازگی توجه پژوهشگران را به عنوان جایگزینی بالقوه برای سیلیکون در سلول‌های خورشیدی به خود جلب کرده است.
یک ابزار میکروسکوپ قدرتمند برای دستگاه های فتوولتائیک مبتنی بر پروسکایت بسیار کارآمد
وانگ و کیم ادعا می‌کنند که دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند که MAPbI3 زمانی که در معرض نور تراهرتز قرار می‌گیرد به عنوان یک عایق عمل کند. آنها سطح پایینی از پراکندگی نور در سراسر مواد را پیش‌بینی کرده‌اند، زیرا داده‌های به دست آمده از یک نمونه از نحوه پراکندگی نور در هنگام قرار گرفتن مواد در معرض ارتعاشات تراهرتز مطلوب بوده است. اما چیزی که آنها کشف کردند این بود که تنوع زیادی در نور پراکنده در امتداد مرزهای ذره وجود دارد.
وانگ می‌گوید: معتقدیم که مطالعه حاضر، یک ابزار میکروسکوپی قدرتمند را برای تجسم، درک و کاهش بالقوه تخریب مرز ذره، تله‌های نقص (defect traps) و تخریب مواد نشان می‌دهد و درک بهتر این مسائل ممکن است امکان توسعه دستگاه‌های فتوولتائیک بسیار کارآمد مبتنی بر پروسکایت را برای سال‌های آینده فراهم کند.
نتایج این پژوهش در مجله ACS Photonics منتشر شده است.
