ابداع جدید: هموارسازی مسیر برای ابزارهای فتوولتائیک با قابلیت کنترل مغناطیسی
دانشمندان ژاپنی دستگاهی را توسعه داده‌اند که امکان کنترل میدان مغناطیسی خارجی بر جریان تزریقی مغناطیسی در اثر فتوولتائیک حجمی (BPVE) را فراهم می‌کند. این پدیده هنوز در سلول‌های خورشیدی تجاری مورد استفاده قرار نگرفته است. این پژوهش، مسیری بالقوه را برای تنظیم جریان نوری در کاربردهای فتوولتائیک نسل بعدی نشان می‌دهد. محققان دانشگاه کیوتو در ژاپن یک دستگاه ناهمگون‌ساز مصنوعی ایجاد کرده‌اند که کنترل مغناطیسی جریان تزریقی در BPVE را ممکن می‌سازد و به طور بالقوه موانع اصلی برای استفاده از آن در سلول‌های خورشیدی تجاری را برطرف می‌کند.
BPVE پدیده‌ای است که در آن یک ماده، حتی بدون یک پیوند p-n یا ناهمگون‌ساز سنتی، هنگام تابش نور، جریان الکتریکی مستقیم تولید می‌کند. برخلاف اثر فتوولتائیک معمولی، BPVE در مواد همگن تک‌فاز که فاقد تقارن وارونگی هستند، رخ می‌دهد.
نقش تقارن وارونگی زمانی
دانشمندان توضیح دادند: “جریان دیگری زمانی ایجاد می‌شود که تقارن وارونگی زمانی، یا تقارن قوانین فیزیکی در صورت معکوس شدن جریان زمان، دچار شکست شود.” “از آنجا که تقارن وارونگی زمانی در مواد مغناطیسی شکسته می‌شود، انتظار می‌رود اثرات جدیدی مرتبط با BPVE در سیستم‌های مغناطیسی پدیدار شوند، اما بسیاری از جنبه‌های این سیستم‌ها هم از نظر نظری و هم تجربی هنوز توضیح داده نشده‌اند.”
ساختار دستگاه ابداعی
با در نظر گرفتن این موضوع، آن‌ها یک دستگاه ناهمگون‌ساز وان‌دروالس (vdW) ایجاد کردند که ترکیبی از یک نیمه‌رسانای دوبعدی تک‌لایه مبتنی بر دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) و یک ماده مغناطیسی لایه‌ای ساخته شده از تیوفسفات کروم (CrPS₄) است. این پیکربندی برای شبیه‌سازی شکست تقارن فضایی و زمانی-وارونگی طراحی شده است.
لایه‌ی تک‌لایه MoS₂ و چندلایه‌ی CrPS₄ به صورت مکانیکی از بلورهای تکی حجیم جدا شدند. سپس لایه‌ی تک‌لایه MoS₂ با استفاده از روش انتقال خشک روی CrPS₄ انباشته شد. دانشمندان گفتند: “ناهمگون‌سازهای مصنوعی وان‌دروالس (vdW) که با انباشت مواد دوبعدی ساخته می‌شوند، منجر به ایجاد تناوب ساختارهای بلوری مانند ابرشبکه مویر می‌شوند و مسیرهای جدیدی را برای کنترل تقارن P در سطوح مشترک ناهمگون‌شان فراهم می‌کنند.” آن‌ها اشاره کردند که تقارن P همان چیزی است که عدم تعادل “جابه جایی” الکترون را ایجاد می‌کند که جریان نوری خودبه‌خودی را تحت BPVE تولید می‌کند.
نتایج آزمایشات و چشم‌انداز آینده
دانشمندان از یک میدان مغناطیسی خارجی برای اندازه‌گیری مشخصه‌های جریان-ولتاژ دستگاه تحت تابش نور استفاده کردند و هم دما و هم جهت اسپین را تغییر دادند. آن‌ها یک جریان نوری خودبه‌خودی محدود را مشاهده کردند که با میدان مغناطیسی خارجی در دمای زیر دمای نیل – نقطه‌ای که رفتار مغناطیس‌شوندگی یک ماده ضدفرومغناطیس تغییر می‌کند – تغییر می‌کرد.
نتایج نشان داد که جریان تزریقی مغناطیسی دستگاه را می‌توان با یک میدان مغناطیسی خارجی کنترل کرد، که محققان آن را یک پیشرفت در تحقیقات BPVE نامیدند.
کازوناری ماتسودا، محقق این پروژه، اظهار داشت: “مطالعه ما نشان داده است که تقارن فضایی و زمانی-وارونگی را می‌توان با ساختارهای مصنوعی به طور انعطاف‌پذیری کنترل کرد، که امکان انواع پاسخ‌های نوری و تولید جریان را فراهم می‌کند که قبلاً دیده نشده بود.” وی افزود: “این می‌تواند به کاربردهای جدیدی نه تنها در سلول‌های خورشیدی، بلکه در فناوری‌هایی مانند حسگرهای نوری، اسپینترونیک و دستگاه‌های برداشت انرژی نیز منجر شود.”
دانشمندان دستگاه جدید را در مقاله‌ای با عنوان “اثرات فتوولتائیک غیرخطی در نیمه‌رسانای تک‌لایه و رابط ناهمگون مواد مغناطیسی لایه‌ای با سیستم دارای شکست تقارن P و T” تشریح کردند که اخیراً در مجله Nature Communications منتشر شده است.
