ผลึกที่ดูสมมาตรสร้างกระแสไฟจากแสงได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

แผงโซลาร์ทั่วไปใช้รอยต่อระหว่างวัสดุเพื่อช่วยแยกประจุที่แสงปล่อยออกมา แต่มีปรากฏการณ์อีกแบบที่ทำให้ผลึกบางชนิดสร้างกระแสไฟได้เมื่อรับแสง แม้ไม่ได้ต่อแรงดันจากภายนอก และไม่ต้องอาศัยรอยต่อชนิดเดียวกับแผงทั่วไป

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า bulk photovoltaic effect หรือ BPVE ปกตินักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะพบได้ในผลึกที่มีโครงสร้างไม่สมมาตร เพราะถ้าด้านตรงข้ามกันเหมือนกัน การตอบสนองบางส่วนอาจหักล้างกันจนไม่เหลือกระแสสุทธิ

ทีมจาก Science Tokyo ศึกษาผลึก CuCrP₂S₆ ซึ่งเปลี่ยนโครงสร้างตามอุณหภูมิ ช่วงอุณหภูมิต่ำผลึกไม่มีสมมาตรแบบหนึ่ง แต่เมื่ออุ่นถึงอุณหภูมิห้อง โครงสร้างเฉลี่ยกลับดูสมมาตรขึ้น ตามคำอธิบายเดิม กระแสจาก BPVE ก็น่าจะหายไป

นักวิจัยเสนอว่าผลึกนี้ยังมีกระแสได้ เพราะไอออนทองแดงเคลื่อนสลับตำแหน่ง ทำให้เกิดบริเวณเล็ก ๆ ที่ไม่สมมาตรอยู่ชั่วขณะ แม้โครงสร้างเฉลี่ยทั้งผลึกจะดูสมมาตร แสงจึงตอบสนองต่อสภาพเฉพาะจุดในขณะนั้น ไม่ได้เห็นเพียงค่าเฉลี่ยระยะยาวของผลึก

โจทย์จึงไม่ใช่แค่ว่าโครงสร้างที่เฉลี่ยออกมาเป็นอย่างไร แต่ต้องดูว่าการจัดเรียงเฉพาะจุดเปลี่ยนไปแบบใดเมื่อตกกระทบด้วยแสง นักวิจัยจึงพิจารณาผลกระแสควบคู่กับแบบจำลองการเปลี่ยนตำแหน่งของไอออนทองแดงในผลึก

การทดลองทำกับผลึกเดี่ยวที่ติดขั้วไฟฟ้าและฉายแสง โดยไม่ป้อนแรงดันจากภายนอก ทีมวัดกระแสตั้งแต่อุณหภูมิ 15 ถึง 300 เคลวิน พบว่าที่ประมาณ 300 เคลวิน หรือใกล้ 27 องศาเซลเซียส กระแสยังเกิดตามแนวแกน a ของผลึก ขณะที่ไม่พบกระแสวัดได้ตามแกน b

สัญญาณยังคงปรากฏเมื่อเปลี่ยนชนิดขั้วไฟฟ้าและเงื่อนไขของแสง แม้ขนาดกระแสที่อ่านได้จะขึ้นกับวัสดุขั้วด้วย เมื่อเทียบกับช่วงอุณหภูมิต่ำ ค่ากระแสแบบไม่มีแรงดันที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นราว 1.5 เท่า ในผลึกที่ศึกษา

คำว่า “สมมาตร” ในที่นี้หมายถึงตำแหน่งอะตอมที่วัดได้เมื่อเฉลี่ยโครงสร้าง ไม่ได้แปลว่าไอออนทุกตัวหยุดนิ่งตรงจุดเดิม งานวิจัยอธิบายว่าไอออนทองแดงมีหลายตำแหน่งที่เป็นไปได้ และความร้อนทำให้มันเคลื่อนไหวระหว่างตำแหน่งเหล่านั้น

การดูโครงสร้างผลึกด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ให้ภาพเฉลี่ยตามเวลาและพื้นที่ ส่วนการดูดกลืนแสงเกิดเร็วกว่า 100 เฟมโตวินาที งานเสนอว่าการตอบสนองทางไฟฟ้าจึงรับอิทธิพลจากตำแหน่งเฉพาะขณะที่แสงกระตุ้นอิเล็กตรอน แนวคิดนี้เรียกได้ว่าเป็นการแตกสมมาตรเฉพาะที่แบบชั่วคราว

ผลที่วัดได้สอดคล้องกับกลไก shift current ซึ่งเป็นกระแสตรงที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนเมื่อดูดกลืนแสง ทีมวิจัยจึงเสนอว่าการเคลื่อนไหวของไอออนทองแดงช่วยคงบริเวณเฉพาะที่ซึ่งเอื้อต่อกระแส แม้ภาพรวมของผลึกจะไม่แสดงความไม่สมมาตรแบบเดิม

อย่างไรก็ดี ตัวอย่างนี้เป็นผลึกเดี่ยวขนาดเล็กที่ทดสอบในห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่แผงโซลาร์สำเร็จรูป และตัวเลข 1.5 เท่าหมายถึงกระแสที่วัดได้ระหว่างสองช่วงอุณหภูมิ ไม่ใช่ประสิทธิภาพการแปลงแสงของแผงที่สูงขึ้น 1.5 เท่า งานยังไม่ได้แสดงว่าผลึกนี้พร้อมใช้แทนซิลิคอนในผลิตภัณฑ์

สิ่งที่งานนี้เพิ่มให้กับการออกแบบวัสดุคือแนวคิดว่า การขยับของอะตอมไม่จำเป็นต้องเป็นสิ่งรบกวนเสมอไป หากควบคุมโครงสร้างและสภาพแวดล้อมได้ การเปลี่ยนตำแหน่งชั่วคราวของไอออนอาจเป็นส่วนหนึ่งของกลไกที่ช่วยให้วัสดุตอบสนองต่อแสงได้