OIST,太陽電池内の電子をの動きを可視化

沖縄科学技術大学院大学(OIST)は、パルス紫外線光技術と電子顕微鏡技術を併用し,太陽電池に使われる物質内での電子の動きの可視化を試みた(ニュースリリース)。

物質に光を照射すると,電子は光のエネルギーを吸収し,低エネルギー状態からより高いエネルギー状態に移動する。太陽電池のような装置が機能するためには,物質がどのように状態変化し,エネルギーを失うのかを観察することが求められていた。

非常に短い強力な光のパルスを物質に照射し,次に最初のパルスに比べ強度がはるかに弱いパルスを異なる遅延時間を設けて照射すると,最初のフォトンが変化を物質に生じ,次のフォトンの反射が変わる。その後,物質の温度が下がるにつれ,反射も元に戻る。この差異を利用して,観測された現象の動態について知ることができる。

しかし,この方法では電子の実際の動態を直接には観察できない。今回,研究チームは半導体装置を用いてこの現象を可視化する方法を見出した。パルスが物質に当たると,電子が数個はじき出される。そこで電子顕微鏡を用い,これらの追い出された電子がどこから来たのかを示す画像を作成した。

この手順を多くのフォトンに対し何度も繰り返すと,物質内の電子の分布像を少しずつ構築していくことができる。つまり試料を光励起させ,ある間隔を置いてその試料を調査するという操作を,初めのフォトンのパルスから調査用フォトンの照射までの遅延時間を一定に保ちながら何度も繰り返すと,特定の遅延時間における電子の位置を表す画像が,対象物質中のほとんどの電子について得られる。

次に,2つのパルス(光励起用パルスと調査用パルス)の間の遅延時間を変更し,電子の位置を表す画像をもう1つ作成する。画像が1枚でき上がると,調査用パルスの照射をさらに遅らせていき,光励起に続く各タイミングにおける電子の位置を順に追った一連の画像を作成する。

これらの画像を全て縫い合わせて動画ができ上がる。これは光励起後の電子が物質内でどのように動いているかを示す動画となり,電子が励起され始めてから元の状態に戻るまでの様子を見ることができる。

これにより,太陽電池内で何が起きているのか,推測するのではなく実際に見ることができるため,電子の運動に新たな知見をもたらし,太陽電池や半導体装置の製造方法を一新する可能性を秘めているとしている。

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