Zwart siliciumfotodetectorrecord: externe kwantumefficiëntie tot 132%
Volgens berichten in de media hebben onderzoekers van de Universiteit van Aalto een opto-elektronisch apparaat ontwikkeld met een externe kwantumefficiëntie tot 132%.Deze onwaarschijnlijke prestatie werd bereikt door het gebruik van zwart silicium met nanostructuur, wat een grote doorbraak zou kunnen zijn voor onder meer zonnecellenfotodetectoren.Als een hypothetisch fotovoltaïsch apparaat een externe kwantumefficiëntie 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 bereikt niet alleen een efficiëntie van 100 procent, maar zelfs meer dan 100 procent.132% betekent gemiddeld 1,32 elektronen per foton.Het gebruikt zwart silicium als het actieve materiaal en heeft een kegel- en kolomvormige nanostructuur die ultraviolet licht kan absorberen.
Het is duidelijk dat je geen 0,32 extra elektronen uit het niets kunt creëren. De natuurkunde zegt immers dat energie niet uit het niets kan worden gecreëerd, dus waar komen deze extra elektronen 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 uitschakelen zonder enige 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 een aantal manieren verloren, bijvoorbeeld wanneer fotonen door het apparaat worden gereflecteerd of wanneer elektronen recombineren met de ‘gaten’ die in de atomen zijn achtergebleven voordat ze door het circuit worden opgevangen.
Maar het team van Aalto 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.
Over het geheel genomen hebben deze ontwikkelingen ervoor gezorgd dat de externe kwantumefficiëntie van het apparaat 130% heeft bereikt.De resultaten van het team zijn zelfs onafhankelijk geverifieerd door het Duitse nationale Metrologie Instituut, het PTB (Duits Federaal Instituut voor Natuurkunde).
Volgens de onderzoekers zou deze recordefficiëntie de prestaties van vrijwel elke fotodetector kunnen verbeteren, inclusief zonnecellen en andere lichtsensoren, en wordt de nieuwe detector al commercieel gebruikt.
Posttijd: 31 juli 2023