Zwarte siliconenfotodetectorrecord: externe kwantumefficiëntie tot 132%
Volgens mediaberichten hebben onderzoekers van de Aalto-universiteit een opto-elektronisch apparaat ontwikkeld met een externe kwantumefficiëntie tot wel 132%. Deze onwaarschijnlijke prestatie werd bereikt met behulp van nanogestructureerd zwart silicium, wat een belangrijke doorbraak zou kunnen betekenen voor zonnecellen en andere toepassingen.fotodetectorenAls een hypothetisch fotovoltaïsch apparaat een externe kwantumrendement van 100 procent heeft, betekent dit dat elk foton dat erop valt een elektron produceert, dat via een circuit als elektriciteit wordt verzameld.
En dit nieuwe apparaat behaalt niet alleen een efficiëntie van 100 procent, maar zelfs meer dan 100 procent. 132 procent betekent gemiddeld 1,32 elektronen per foton. Het gebruikt zwart silicium als actief materiaal en heeft een kegel- en kolomvormige nanostructuur die ultraviolet licht kan absorberen.
Het is duidelijk dat je niet 0,32 extra elektronen uit het niets kunt creëren. De natuurkunde zegt immers dat energie niet uit het niets kan worden gecreëerd. Waar komen deze extra elektronen dan vandaan?
Het komt allemaal neer op het algemene werkingsprincipe van fotovoltaïsche materialen. Wanneer een foton van het invallende licht een actieve stof raakt, meestal silicium, slaat het een elektron uit een van de atomen. Maar in sommige gevallen kan een hoogenergetisch foton twee elektronen uitstoten zonder de natuurwetten te overtreden.
Het lijdt geen twijfel dat het benutten van dit fenomeen zeer nuttig kan zijn bij het verbeteren van het ontwerp van zonnecellen. Bij veel opto-elektronische materialen gaat de efficiëntie op verschillende manieren verloren, bijvoorbeeld wanneer fotonen door het apparaat worden gereflecteerd of wanneer elektronen recombineren met de "gaten" die in de atomen achterblijven voordat ze door het circuit worden opgevangen.
Maar Aalto's team zegt dat ze die obstakels grotendeels hebben weggenomen. Zwart silicium absorbeert meer fotonen dan andere materialen, en de taps toelopende en kolomvormige nanostructuren verminderen de elektronenrecombinatie op het oppervlak van het materiaal.
Al met al hebben deze ontwikkelingen ervoor gezorgd dat de externe kwantumefficiëntie van het apparaat 130% bedraagt. De resultaten van het team zijn zelfs onafhankelijk geverifieerd door het Duitse nationale metrologie-instituut, de PTB (Duitse Federale Instelling voor Fysica).
Volgens de onderzoekers zou deze recordefficiëntie de prestaties van vrijwel elke fotodetector kunnen verbeteren, waaronder zonnecellen en andere lichtsensoren. De nieuwe detector wordt al commercieel gebruikt.
Plaatsingstijd: 31-07-2023