Record voor fotodetectoren van zwart silicium: externe kwantumrendement tot 132%.

Zwart siliconenfotodetectorrecord: externe kwantumrendement tot 132%

Volgens mediaberichten hebben onderzoekers van de Aalto Universiteit een opto-elektronisch apparaat ontwikkeld met een externe kwantumrendement van maar liefst 132%. Deze opmerkelijke prestatie werd bereikt door gebruik te maken van nanogestructureerd zwart silicium, wat een belangrijke doorbraak zou kunnen betekenen voor zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten.fotodetectorenAls een hypothetisch fotovoltaïsch apparaat een extern kwantumrendement van 100 procent heeft, betekent dit dat elke foton die erop valt een elektron produceert, dat vervolgens als elektriciteit via een circuit wordt opgevangen.

Dit nieuwe apparaat behaalt 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 actief materiaal en heeft een kegelvormige en kolomvormige nanostructuur die ultraviolet licht kan absorberen.

Je kunt natuurlijk niet zomaar 0,32 extra elektronen uit het niets creëren. De natuurkunde leert immers dat energie niet uit het niets kan ontstaan. Dus waar komen die 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 foton met hoge energie twee elektronen uitstoten zonder de natuurwetten te overtreden.

Het is duidelijk dat het benutten van dit fenomeen zeer nuttig kan zijn bij het verbeteren van het ontwerp van zonnecellen. In veel opto-elektronische materialen gaat efficiëntie op verschillende manieren verloren, bijvoorbeeld doordat fotonen van het apparaat worden weerkaatst of doordat elektronen recombineren met de "gaten" die in de atomen achterblijven 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 aan het oppervlak van het materiaal.

Al met al hebben deze vorderingen ervoor gezorgd dat de externe kwantumrendement van het apparaat 130% heeft bereikt. De resultaten van het team zijn zelfs onafhankelijk geverifieerd door het Duitse nationale metrologische instituut, het PTB (Duits Federaal Instituut voor Fysica).

Volgens de onderzoekers kan deze recordefficiëntie de prestaties van vrijwel elke fotodetector verbeteren, waaronder zonnecellen en andere lichtsensoren, en de nieuwe detector wordt al commercieel gebruikt.