การตรวจจับแสงที่เร็วมากด้วยแรงด้วยเทคนิคอัลตราฟาสบนวัสดุโซลาร์เซลล์

          พลังงานทดแทน(Alternative Energy)เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลก ได้ให้ความสำคัญเป็นอันดับหนึ่ง ในการสรรหาวัสดุสิ่งต่างๆมาทดแทนการใช้พลังงานในรูปแบบเดิม ดั่งเช่น การใช้พลังงานลมและพลังงานน้ำในการปั่นกระแสไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็น ในครัวเรือน ในอุตสาหกรรมเป็นต้น แต่ก็ยังมีพลังงานทดแทนอันนึง ที่อาจจะเรียกได้ว่า เป็นพลังงานทดแทนยอดฮิต ดั่งเช่น พลังงานแสงอาทิตย์(Solar Cell) ก่อนอื่นเราจะมาอธิบายคร่าวๆถึง หลักการทำงานโซลาร์เซลล์ เมื่อมีแสงเดินทามาตกกระทบกับแผ่นโซลาร์เซลล์ที่วัสดุส่วนใหญ่จะนิยมใช้ SiO2 .ในการโด๊ปเพื่อทำแผ่นวัสดุ ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วแสงจะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พอมากระทบกับแผ่นวัสดุสารกึ่งตัวนำของโซลาร์เซลล์จะเกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำนั้น ออกมาใช้ในรูปแบบกระแสไฟฟ้าในลำดับต่อไป           จากหลักการทำงานของโซลาร์เซลล์ในข้างต้นนั้น สู่การคิดค้นนวัตกรรมทางด้านการวิจัยแบบใหม่โดยทีมวิจัยMcGill Physics Department ในการนำ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม หรือที่เรารู้จักกันดีในชื่อ atomic force microscopy ใช้สำหรับการศึกษา และ ดูลักษณะพื้นผิวของวัสดุ กับวิธีที่เรียกว่าnonlinear optical ultrafast เพื่อใช้ในตรวจจับแรงไฟฟ้าสถิตที่เกิดมาจากการเหนี่ยวนำของแสงเมื่อตกระทบกับพื้นผิววัสดุนั้น จะทำให้อิเล็กตรอนเกิดการเคลื่อนที่ในระหว่างสารไดอิเล็กทริกที่ชั้นพื้นผิววัสดุโซลาร์เซลล์ เพื่อศึกษาความไม่สมบูรณ์แบบของชั้นโครงสร้างผลึก โดยตรวจจับจังหวะคลื่นแสงเพียงพัลซ์สั้น ๆ ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้มาจากปัญหาที่ว่า ทางทีมวิจัยนั้นต้องการพัฒนาและทำการศึกษาวิจัยเทคนิคใหม่สำหรับการตรวจจับความไม่สมบูรณ์ของผลึกในระดับนาโนที่สามารถนำไปพัฒนาและประยุกต์ใช้สำหรับทำวัสดุในเซนเซอร์ตรวจจับแสงในหลายๆสายงาน ดั่งเช่น โทรศัพท์มือถือ กล้อง เส้นใยแก้วนำแสงรวมถึงโซลารเซลล์อีกด้วย ซึ่งในงานวิจัยชิ้นนี้ได้ตีพิมพ์ในวรสาร PNAS  แสดงให้เห็นว่า เมื่อแสงตกกระทบกับผิววัสดุโซลาร์เซลล์จะเกิดแรงและมีการล่าช้าของพลัส์ที่สามารถตรวจจับในเพียงเสี้ยวของวินาที หรือ ประมาณล้านๆนาที (เฟมโตวินาที10-15)  ในช่วงความละเอียดที่ระดับนาโนมิเตอร์เหมาะสำหรับการวัดและศึกษาในขอบเขตสายงานของวัสดุเป็นต้น    การทดลองโดยใช้แสงเพื่อตรวจจับไม่สมบูรณ์แบบของผลึกในวัสดุนั้น โดยทีมวิจัยจากMcGill นำเทคนิคออปติกอัลตราฟาสแบบไม่เป็นเชิงเส้น(ultrafast nonlinear optical) หรือ อธิบายสั้นๆได้ใจความว่า เป็นการวัดและวิเคราะห์พลัส์ที่สั้นมากๆของแสง ร่วมกันกับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมที่มีความละเอียดสูง กับวัสดุตัวอย่างที่นำมาทดสอบ เช่น LiNbO3(ลิเทียมไนโอเบต)และ MoSe2(โมลิบดีนัม ไดเซลีไนด์)  ซึ่งผลปรากฎได้ว่า เทคนิคอัลตราฟาสที่นำมาทดสอบร่วมกันกับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมนั้นสามารถวิเคราะห์ผลได้ว่า ทั้งสองเทคนิคนั้นสามารถทำงานได้ดี สามารถวิเคราะห์ความสูง ลักษณะพื้นผิว ลิเทียมไนโอเบตที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวน และเป็นแผ่นวัสดุที่บางในขนาดนาโนมิเตอร์ก็สามารถวิเคราะห์ได้ และ รวมทั้งวัสดุที่เป็นสารกึ่งตัวนำแบบ โมลิบดีนัม ไดเซลีไนด์ ในรูปแบบ2มิติ อีกทั้งยังสามารถวิเคราะห์สารที่เป็นในรูปแบบของ อนินทรีย์วัตถุ(inorganic)ที่เป็นส่วนผสมในการทำวัสดุทางออปติกได้อีกด้วย

            ในท้ายที่สุดแล้ว ทางทีมวิจัยยังได้บอกว่า เทคนิคที่เขานั้นได้คิดค้นขึ้นสามารถนำไปวิเคราะห์ในรูปแบบโครงสร้างวัสดุ ทั้งโลหะ สารกึ่งตัวนำ และ ฉนวน ที่ทำให้ได้ผลการวิเคราะห์ที่มีความละเอียดและแม่นยำสูง เพื่อนำไปปรับปรุงและควบคุมการเกิดความไม่สมบูรณ์แบบของตัววัสดุที่จะยังสามารถนำไปปรับใช้ร่วมกันกับในโซลาร์เซลล์ และ วัสดุทางออปติกในเทคโนโลยีที่วงกว้างมากยิ่งขึ้นต่อไป

 

อ้างอิง

• https://phys.org/news/2020-08-ultrafast.html
• https://www.pnas.org/content/early/2020/08/03/2003945117#abstract-2
• https://www.greenpeace.org/thailand/explore/transform/renewables/solar/
• https://www.abbreviationfinder.org/th/acronyms/linbo3_lithium-niobate.html