Một kỹ thuật mới để thu giữ các electron 'nóng' có thể làm cho pin mặt trời hiệu quả hơn không?
Kính hiển vi quét đường hầm được sử dụng để nghiên cứu động lực học của các electron nóng thông qua thao tác phân tử đơn lẻ. Ảnh: Adrian Hooper
Một cách mới để trích xuất thông tin định lượng từ các thí nghiệm đơn phân tử tiên tiến nhất đã được phát triển bởi các nhà vật lý tại Đại học Bath. Sử dụng thông tin định lượng này, các nhà nghiên cứu sẽ có thể thăm dò tính chất vật lý cực nhanh của các electron "nóng" trên bề mặt - cùng một tính chất vật lý chi phối và hạn chế hiệu quả của pin mặt trời dựa trên silicon.
Pin mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi ánh sáng thành electron, có thể thu thập và thu hoạch năng lượng của chúng. Tế bào năng lượng mặt trời nóng là một loại tế bào mới chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả hơn so với tế bào năng lượng mặt trời thông thường. Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình này bị hạn chế bởi việc tạo ra các electron năng lượng, hay còn gọi là "nóng", có thời gian tồn tại cực kỳ ngắn và mất phần lớn năng lượng của chúng ra môi trường xung quanh trong vòng vài femto giây đầu tiên sau khi chúng được tạo ra (1 femto giây bằng 1/1.000.000.000.000.000 của một giây).
Thời gian tồn tại cực ngắn của các electron nóng và quãng đường ngắn tương ứng mà chúng có thể di chuyển có nghĩa là việc thăm dò và ảnh hưởng đến tính chất của các electron nóng là một thách thức về mặt thực nghiệm. Cho đến nay, đã có một số kỹ thuật có khả năng vượt qua những thách thức này, nhưng chưa có kỹ thuật nào được chứng minh là có khả năng phân giải không gian—có nghĩa là chúng không thể cho chúng ta biết về mối liên hệ quan trọng giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu và động lực học của các electron nóng bên trong vật liệu đó .
Thao túng một mục tiêu
Các nhà nghiên cứu từ Khoa Vật lý của Bath đã nghiên cứu các electron nóng bằng cách sử dụng kính hiển vi quét đường hầm (STM). Thiết bị này được thiết kế để chụp ảnh từng nguyên tử và phân tử. Bằng cách đưa một dòng điện nhỏ (chùm electron nóng) vào một phân tử mục tiêu, thiết bị cũng có thể điều khiển mục tiêu—di chuyển mục tiêu, xoay mục tiêu, phá vỡ liên kết hóa học hoặc tạo liên kết hóa học mới.
Thao tác nguyên tử là giới hạn cuối cùng của khoa học nano và hóa học đơn phân tử. Đây là những lĩnh vực vật lý sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử hoặc phân tử để nghiên cứu các tính chất điện, quang, nhiệt và cơ học của vật liệu. Cho đến nay, thao tác nguyên tử đã được sử dụng để phát triển (trong số những thứ khác) máy phân tử (ví dụ, trong đó, một phân tử quay khi một dòng điện tử được áp dụng) và các bộ phát sáng phân tử đơn (điốt phát sáng hữu cơ nhỏ nhất có thể).
Lật tẩy khoa học
Tuy nhiên, các nhà khoa học ở Bath đã đảo ngược các thí nghiệm truyền thống. Thay vì sử dụng một chùm electron để đo lường và kiểm soát hoạt động của phân tử mục tiêu, họ đã sử dụng các phân tử để đo lường hoạt động của chính các electron.
Tiến sĩ Kristina Rusimova từ Khoa Vật lý, người đứng đầu giải thích: “Chúng tôi đã sử dụng các phản ứng đơn phân tử để thăm dò số phận của các electron nóng trong vài giây đầu tiên trong vòng đời của chúng—trước khi chúng mất năng lượng vào môi trường xung quanh”. các nghiên cứu.
Công trình này mở ra một lộ trình mới để đo lường một cách định lượng và chính xác các quá trình điện tử nóng và kiểm soát chúng. Theo thời gian, người ta hy vọng rằng nó sẽ đưa vào lĩnh vực pin mặt trời nóng mới, trong đó mục đích là thu năng lượng của một electron được tạo ra trong tế bào quang điện trước khi nó mất năng lượng ra môi trường xung quanh trong vài giây đầu tiên nhỏ bé của sự tồn tại của nó.
Nghiên cứu được xuất bản trong Nanoscale Advances.
Tiến sĩ Peter Sloan, nhà nghiên cứu Vật lý Bath, người đã thiết kế thí nghiệm và xây dựng mô hình mà nghiên cứu này dựa vào, cho biết: "Hiểu biết mới về các quá trình làm nền tảng cho số phận của các điện tích cơ bản là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho khoa học nano. mở ra những cách mới, chưa được khám phá trước đây để xem xét hành vi của các hạt tải điện nóng ở quy mô chiều dài nguyên tử có liên quan của chúng."
Tiến sĩ Rusimova nói thêm: "Thông qua thử nghiệm hiện đại, nghiêm ngặt và rộng rãi, chúng tôi đã xác định được cơ chế vật lý chịu trách nhiệm không chỉ cho sự vận chuyển điện tích trên bề mặt silicon mà còn cho bước thao tác cuối cùng, trong đó một phân tử bị kích thích bởi một electron bị đẩy ra khỏi bề mặt silicon, nhưng chủ yếu là chỉ sau khi electron nóng đã mất đi năng lượng nhiệt dư thừa của nó. Lần đầu tiên, chúng tôi đã liên kết sự phụ thuộc năng lượng của bước thao tác này với cấu trúc dải điện tử bề mặt bên dưới."
Thú vị thay, đây cũng là điểm khởi đầu để thiết kế các vật liệu khác phức tạp hơn, nơi có thể kiểm soát sự vận chuyển electron nóng qua, ví dụ, tạo ra các khuyết tật để thay đổi có chủ ý cảnh quan năng lượng của vật liệu hoặc điều chỉnh nhiệt độ vật liệu.
