Kuumia kantajia keräten

Taiteilijan näkemys siitä kuinka varauksenerotusprosessi kerää kuumia kantajia.

Caltechin tutkijat ovat kehittäneet tavan ottaa irti enemmän energiaa aurinkoenergiasta - kerätä hyvin varautuneita hiukkasia ennen kuin niillä on mahdollisuus jäähtyä.

Tämä perustutkimus voisi jonain päivänä auttaa tutkijoita keräämään energiaa auringosta tehokkaammin kuin kasvien käyttämä luonnollinen fotosynteesi.

Sähkövaraus esiintyy negatiivisesti varautuneiden elektronien ja positiivisesti varautuneiden "aukkojen" muodossa. Aukot houkuttelevat vapaita elektroneja ja kun nämä kaksi yhdistyvät - tai pikemminkin, kun elektroni täyttää aukon - ne katoavat tehokkaasti eivätkä enää liiku, mikä tarkoittaa, että ne eivät enää kuljeta varausta.

Yksi luonnollisen fotosynteesin perustavanlaatuisista prosesseista on elektronien erottaminen aukoista ja siten näiden vapaiden, varautuneiden kvasipartikkeleiden eli kantajien "keräily".

Kaikkia kantajia ei luoda samalla tavoin. Kun laajavaikutteinen valonlähde, kuten aurinko, saa kantajat erittäin virittyneiksi niistä tulee "kuumia kantajia". Pian sen jälkeen ne putoavat alempaan energiatilaan ja tulevat "relaksoituneiksi kantajiksi". Tällä hetkellä aurinkopaneelit kykenevät erottamaan ja keräämään vain näitä vähemmän kuumia kantajia, mikä on yksi tekijä miksi aurinkopaneelien hyötysuhteet ovat alueella 15-20 prosenttia.

"Jos enemmän energiaa kuljettavia kuumia kantajia voitaisiin vangita, pystyisimme vääntämään kolme tai neljä kertaa enemmän energiaa aurinkovoimalla", sanoo tutkimuksen vastaava kirjoittaja Harry Atwater.

Atwater kollegoineen ovat osoittaneet ensimmäistä kertaa varauksen erotusprosessin, joka johtaa kuumien kantajien keräämiseen. He loivat liitoksen metallin (kulta) ja puolijohteen (galliumnitridi) välille ja käyttivät sitten laserpulsseja elektroni-aukko parien virittämiseen.

Alle 200 femtosekuntia jokaisen laserpulssin jälkeen - ennen kuin kantajilla on aikaa relaksoitua - he iskivät toisella koestimen valopurskeparilla, erottaen elektronit aukoista ja pitäen aukot avoimena – ”keräten" niitä niiden ollessaan vielä "kuumia".

Kuumien aukkojen keräämisen lisäksi ryhmä pystyi tarkkailemaan, kuinka aukot relaksoituivat alempaan energiatilaan - saaden käsityksen prosessin toiminnasta. He olivat yllättyneitä huomatessaan, että kun he keräsivät kuuman aukon, se muutti sen parina olevan kuuman elektronin relaksaatiodynamiikkaa.

"Tavoitteena oli kerätä sekä elektroneja että aukkoja mutta sen sijaan pystyimme keräämään aukkoja ja seuraamaan relaksaatioprosessia", Atwater kertoo. "Se oli tervetullut yllätys. Emme tienneet tai odottaneet, että elektronien ja aukkojen relaksaatioprosessit olisivat niin toisistaan riippuvaisia."

"Kehitämme edelleen perusajatuksia kuumien kantajien keräämiseen. Tämän hallitseminen on kuitenkin välttämätöntä auringonvalon tehokkaampaan muuntamiseen käyttökelpoiseksi energiaksi", Atwater sanoo.

Aiheesta aiemmin: Parannuksia orgaanisille aurinkokennoille