Volgens een onlangs gepubliceerd rapport van het netwerk van natuurkundigen hebben Finse onderzoekers een zwarte siliciumfotodetector ontwikkeld met een externe kwantumrendement van 130%. Dit is de eerste keer dat het rendement van fotovoltaïsche apparaten de theoretische limiet van 100% overschrijdt. Naar verwachting zal dit de efficiëntie van foto-elektrische detectieapparaten aanzienlijk verbeteren. Deze apparaten worden veel gebruikt in auto's, mobiele telefoons, smartwatches en medische apparatuur.
Een fotodetector is een sensor die licht of andere elektromagnetische energie kan meten, fotonen kan omzetten in elektrische stroom, en de geabsorbeerde fotonen elektron-gatparen kan vormen. De fotodetector omvat onder andere een fotodiode en een fototransistor. De kwantumefficiëntie wordt gebruikt om het percentage fotonen te definiëren dat door een apparaat zoals een fotodetector wordt ontvangen en in een elektron-gatpaar wordt omgezet. Dit betekent dat de kwantumefficiëntie gelijk is aan het aantal fotogegenereerde elektronen gedeeld door het aantal invallende fotonen.
Wanneer een invallend foton een elektron naar een extern circuit stuurt, bedraagt de externe kwantumefficiëntie van het apparaat 100% (voorheen werd gedacht dat dit de theoretische limiet was). In de meest recente studie had de zwarte siliciumfotodetector een efficiëntie tot 130%, wat betekent dat één invallend foton ongeveer 1,3 elektronen produceert.
Volgens onderzoekers van de Aalto-universiteit is het geheime wapen achter deze grote doorbraak het proces van vermenigvuldiging van ladingsdragers dat plaatsvindt binnen de unieke nanostructuur van de zwarte siliciumfotodetector, die wordt geactiveerd door hoogenergetische fotonen. Voorheen konden wetenschappers dit fenomeen niet in echte apparaten waarnemen, omdat de aanwezigheid van elektrische en optische verliezen het aantal verzamelde elektronen verminderde. "Onze nanogestructureerde apparaten vertonen geen recombinatie en geen reflectieverlies, waardoor we alle vermenigvuldigde ladingsdragers kunnen verzamelen", legde onderzoeksleider professor Hera Severn uit.
Deze efficiëntie is geverifieerd door het Instituut voor Fysische Technologie van de Duitse Nationale Metrologievereniging (PTB), de meest nauwkeurige en betrouwbare meetdienst in Europa.
De onderzoekers merken op dat deze recordefficiëntie betekent dat wetenschappers de prestaties van foto-elektrische detectieapparaten aanzienlijk kunnen verbeteren.
"Onze detectoren hebben veel belangstelling gewekt, vooral op het gebied van biotechnologie en industriële procesmonitoring", aldus Dr. Mikko Juntuna, CEO van Elfys Inc., een bedrijf van de Aalto Universiteit. Naar verluidt zijn ze begonnen met de productie van dergelijke detectoren voor commercieel gebruik.
Plaatsingstijd: 11 juli 2023