Volgens een recent bericht van een netwerk van natuurkundigen hebben Finse onderzoekers een fotodetector van zwart silicium 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 veelvuldig gebruikt in auto's, mobiele telefoons, smartwatches en medische apparatuur.
Een fotodetector is een sensor die licht of andere elektromagnetische energie kan meten, fotonen omzet in een elektrische stroom, en de geabsorbeerde fotonen vormen elektronen-gatparen. Voorbeelden van fotodetectoren zijn fotodiodes en fototransistors. De kwantumrendement wordt gebruikt om het percentage fotonen te definiëren dat door een apparaat zoals een fotodetector wordt omgezet in elektronen-gatparen. Het kwantumrendement is dus gelijk aan het aantal gegenereerde elektronen gedeeld door het aantal invallende fotonen.
Wanneer een invallend foton een elektron naar een extern circuit stuurt, is de externe kwantumrendement van het apparaat 100% (wat voorheen als de theoretische limiet werd beschouwd). In de meest recente studie behaalde de zwarte siliciumfotodetector een rendement van maar liefst 130 procent, wat betekent dat één invallend foton ongeveer 1,3 elektronen produceert.
Volgens onderzoekers van de Aalto Universiteit is het geheim achter deze belangrijke doorbraak het ladingsdragervermenigvuldigingsproces dat plaatsvindt binnen de unieke nanostructuur van de zwarte siliciumfotodetector en dat wordt geactiveerd door hoogenergetische fotonen. Voorheen konden wetenschappers dit fenomeen niet waarnemen in echte apparaten, omdat de aanwezigheid van elektrische en optische verliezen het aantal opgevangen elektronen verminderde. "Onze nanogestructureerde apparaten hebben geen recombinatie en geen reflectieverlies, waardoor we alle vermenigvuldigde ladingsdragers kunnen opvangen", legt onderzoeksleider professor Hera Severn uit.
Deze efficiëntie is bevestigd door het Instituut voor Fysische Technologie van de Duitse Nationale Metrologische Vereniging (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, met name in de biotechnologie en de monitoring van industriële processen", aldus dr. Mikko Juntuna, CEO van ElfysInc, een bedrijf dat eigendom is van de Aalto Universiteit. Naar verluidt zijn ze begonnen met de productie van dergelijke detectoren voor commercieel gebruik.
Geplaatst op: 11 juli 2023