工程師在處理許多電子元件時的兩難是:看不到元件在運作時的情形。在大多數的情況下,它們就像是技術的「黑盒子」,我們可以測量許多關鍵參數——電壓、電流、溫度等等,然後再發揮聰明才智地猜測實際上發生了什麼。

當然,在許多情況下,工程師可以透過拆解的方式分離元件和機械,完成一份「解剖」報告,或是使用一些成像技術(X光、超音波、雷射成像),看看內部「拆解」後的狀況是否和所學的理論與概念一致。

然而,進行這一類的分析和實際去觀察元件或裝置內部在正常運作時的情況還是不一樣的。例如,你曾經看過洗碗機的研發設施嗎?難道洗碗機上會加裝一扇透明的防水門以及堅固耐用的相機,讓你觀察實際的內部運作情況嗎?也太奢侈了!

如果能在電池的充電/放電/蓄電期間看到內部運作狀況,將有助於實現更大的進步。例如,我們真的很想看到在這些鋰離子電池和電池組中發生什麼事,因為它們很可能啟動嚴重的故障模式,甚至隨後引發火災甚至爆炸。針對這個目標已經取得了一些進展,但還需要極其複雜的設置。

太陽能電池也有類似的問題。我們能以相當高的精確度輕鬆地測量電流、電壓、入射光強度、溫度等參數,但仍然無法即時觀察內部發生的情況。目前有一些技術可以觀察到太陽能電池的表面的活動(此處的表面是指頂部的100-200nm),在不久之前這還是無法實現的。

好消息是在太陽能電池方面也有所進展。美國能源部(DoE)勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory;LBNL)首席研究人員Edward Barnard日前接受《光子與成像技術》(Photonics & Imaging Technology)期刊訪問,在「3D成像暴露電池表面缺陷」(3D Imaging Reveals Sub-surface Battery Flaws)文中解釋了他們在「解碼」碲化鎘(CdTe)太陽能電池方面所取得的進展。(我不明白為什麼作者在標題中把這項技術稱為‘battery’;我從來沒看過‘solar cell’被認為是battery,因為它並沒有儲存能源的功能。)此外,在LBNL的官網上也有一則描述其他技術細節的新聞發佈:「以3D成像太陽能電池的新方法」(A New Way to Image Solar Cells in 3-D)

透過雷射以及其他複雜的儀器,研究人員就能看到受激發的電子在將光線傳回之前保持活躍的時間。他們並以3維(3D)的方式映射載子的壽命,以便更能瞭解損耗機制以及有關因素。在此當然涉及了更深入的固態物理學。

例如,該研究開始從原子層面解釋為什麼以氯化鎘處理基本碲化鎘可以改善性能,這一事實已久經流傳,但大家都不甚瞭解。這顯然提高了受激電子以及晶粒本身的壽命。

20170731_solar_NT01P1 左側的3D渲染是未經氯化鎘處理的碲化鎘太陽能電池。右圖顯示採用氯化鎘處理的太陽能電池,可讓整個材料更均勻地「發亮」,包括晶粒以及其間的空間。 (來源:Berkeley Lab)

這並不只是在現場即時觀察無生命的物體。還有詳細的心臟成像、當然還有都普勒(Doppler)超音波測量,以及甚至是即時顯示動脈血流與壓力。即使是腦部也獲得了關注,包括非侵入式以及侵入式感測器。不過,除了由於某種刺激或腦處理造成某些事情發生在特定地方,坦白說,我並不是很清楚這些腦訊號究竟說明了什麼。

如果能即時觀察某些電子元件的內部運作,您認為會是什麼?

(參考原文: Insight into Solar Cells Advances Performance,by Bill Schweber)