Det nederlandske teamet utvikler 200 prosent effektiv fotodiode

Nylig har en gruppe forskere fra Eindhoven University of Technology ("TU/e") og Holst Center, et datterselskap av TNO i Nederland, utviklet en fotodiode med rekordstor følsomhet og en fotoelektronutgangshastighet på mer enn 200 prosent ved hjelp av grønt lys og et dobbeltlags batteridesign. Resultatene er publisert i tidsskriftet Science Advances.
De siste årene har solcellepaneler med flere stablede celler ofte satt rekorder for produksjons- og konverteringseffektivitet. Riccardo Ollearo, en doktorgradsforsker ved Eindhoven University of Technology i Nederland, påpeker at 200 prosent fotoelektroneffekt nevnt ovenfor ikke refererer til normal energieffektivitet. I fotodiodens verden er det kvanteeffektiviteten som teller. I stedet for å telle den totale mengden solenergi, teller den antall fotoner som dioden konverterer til elektroner.
For at en fotodiode skal fungere som den skal, må to betingelser være oppfylt: For det første skal den minimere mengden strøm som genereres i fravær av lys, kjent som mørk strøm - og jo mindre mørkestrømmen er, jo mer følsom er dioden. For det andre bør den være i stand til å skille nivået av bakgrunnsstøy fra det tilhørende infrarøde lyset. Dessverre skjer vanligvis ikke disse to tingene samtidig.
Holstsenteret er et forskningsinstitutt som spesialiserer seg på trådløse og trykte sensorteknologier. I samarbeidet ovenfor jobbet Riccardo Ollearo med Holst-senterets fotodetektorteam for å konstruere en tandemdiode.
Denne tandemdiodeenheten kombinerer kalkogenid og organiske fotovoltaiske celler for å optimalisere ytelsen til solcellen, som når en effektivitet på 70 prosent. Senere brukte de grønt lys som hjelpemiddel, og økte etter hvert effektiviteten til nær-infrarødt lys til mer enn 200 prosent.
Forskerne analyserte at dette hovedsakelig er fordi det ekstra grønne lyset fører til en opphopning av elektroner i kalkogenidlaget. Dette fungerer som et reservoar av ladning som frigjøres når et infrarødt foton absorberes av det organiske laget - med andre ord, for hvert infrarødt foton som passerer gjennom og omdannes til et elektron, mottar det et medfølgende ekstra elektron, noe som resulterer i en effektivitet på 200 prosent eller mer.
Teamet testet ovennevnte tandem-fotodiode-enhet og viste at den er egnet for fleksible enheter i laboratoriet, som er i stand til å fange opp subtile signaler, som menneskets hjerte eller pustefrekvens, i miljøer med realistisk bakgrunnslys. Forskerne plasserte enheten 130 centimeter unna fingeren deres og var faktisk i stand til å oppdage små endringer i mengden infrarødt lys som ble reflektert tilbake til dioden.
Forskerne ønsker å se om enheten kan forbedres ytterligere og utforske om enheten kan testes klinisk, for eksempel ved å gjøre den raskere. Det er også kjent at «FORSEE»-prosjektet ledet av TU/e-forsker Sveta Zinger samarbeider med Catharina Hospital i Eindhoven for å utvikle et smartkamera som kan observere en pasients hjerte- og respirasjonsfrekvens.