Podstawę działań członków zespołu badawczego stanowił ultraszybki skaningowy mikroskop elektronowy. To właśnie za jego sprawą uwiecznili przemieszczanie ładunków przez materiały półprzewodnikowe będące częścią ogniw słonecznych. Publikacja opisująca kulisy działań amerykańskich naukowców jest już dostępna na łamach Proceedings of the National Academy of Sciences.
Czytaj też: Chińscy naukowcy stworzyli najpotężniejszy magnes świata. Rewolucja w dziedzinie fizyki?
Półprzewodniki mają tendencję do wytwarzania nadmiaru ciepła, co stanowi jedną z ich wad. Oznacza to bowiem utratę energii, która mogłaby zostać spożytkowana w zdecydowanie bardziej sensowny sposób. Zwalczając ten problem inżynierowie mogliby zwiększyć energooszczędność urządzeń, w których takie materiały są stosowane. Klucz do realizacji tego celu, jak zakładali, miał się znajdować w tzw. fotonośnikach.
Takim mianem określa się wzbudzone elektrony, które tracą swoją energię w ciągu pikosekund, co jest nawet krótszym okresem niż mgnienie oka. Ogniwo słoneczne może przejąć część tej energii, lecz pozostała jej ilość zostaje utracona w formie ciepła. Gdyby dało się przechwytywać energię z fotonośników nieco wcześniej, można byłoby ograniczyć to negatywne zjawisko.
Śledząc ładunki elektryczne przemieszczające się przez materiały półprzewodnikowe naukowcy mogą osiągnąć postępy przydatne między innymi w fotowoltaice
Oczywiście zdecydowanie łatwiej jest o tym mówić, niż osiągnąć to w praktyce. Elektrony muszą przemieszczać się przez interfejs nazywany heterozłączem. Wizualizacja fotonośników wewnątrz takowego stanowiła wielkie wyzwanie, z którym miało uporać się narzędzie w postaci ultraszybkiego skaningowego mikroskopu elektronowego.
Jak wyjaśniają członkowie zespołu badawczego, wzbudzając ładunki w jednorodnych obszarach krzemu lub germanu, sprawimy, że fotonośniki będą poruszały się z bardzo wysoką prędkością, ponieważ osiągną wysokie temperatury. Gdyby jednak wzbudzić ładunek w pobliżu heterozłącza, część fotonośników ulegnie spowolnieniu. A to mogłoby ułatwić ich śledzenie.
Przewidywania odnalazły odzwierciedlenie w praktyce. Heterozłącze krzemu i germanu, ze względu na potencjał wykorzystania w panelach słonecznych i telekomunikacji, zostało użyte w ramach ostatnich eksperymentów. Korzystając z ultrakrótkich impulsów laserowych naukowcy wystrzelili wiązki elektronów i rozpoczęli wizualizację ich ruchu. Rejestrowane zdarzenia zachodziły, jak wyjaśniają, w oknie czasowym od pikosekundy do nanosekundy, a końcowy rezultat jest jak najbardziej zadowalający. Teraz pora na wykorzystanie zebranych informacji w bardziej praktyczny sposób. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, już wkrótce powinniśmy odczuć korzyści płynące z postępów dokonanych przez naukowców z Kalifornii.