Holländskt team utvecklar 200 procent effektiv fotodiod

Nyligen har en grupp forskare från Eindhoven University of Technology ("TU/e") och Holst Center, ett dotterbolag till TNO i Nederländerna, utvecklat en fotodiod med rekordstor känslighet och en fotoelektronutgångshastighet på mer än 200 procent med grönt ljus och en dubbellagers batteridesign. Resultaten har publicerats i tidskriften Science Advances.
Under de senaste åren har solpaneler med flera staplade celler ofta satt rekord för produktion och konverteringseffektivitet. Riccardo Ollearo, doktorandforskare vid Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna, påpekar att den 200 procentiga fotoelektroneffekten som nämns ovan inte hänvisar till normal energieffektivitet. I fotodiodernas värld är det kvanteffektiviteten som räknas. Istället för att räkna den totala mängden solenergi, räknar den antalet fotoner som dioden omvandlar till elektroner.
För att en fotodiod ska fungera korrekt måste två villkor vara uppfyllda: för det första ska den minimera mängden ström som genereras i frånvaro av ljus, känd som mörkström - och ju mindre mörkström, desto känsligare är dioden. För det andra bör den kunna särskilja nivån av bakgrundsbrus från det associerade infraröda ljuset. Tyvärr händer dessa två saker vanligtvis inte samtidigt.
Holst Center är ett forskningsinstitut som specialiserat sig på trådlösa och tryckta sensorteknologier. I ovanstående samarbete arbetade Riccardo Ollearo med Holst Centers fotodetektorteam för att konstruera en tandemdiod.
Denna tandemdiodenhet kombinerar kalkogenid och organiska fotovoltaiska celler för att optimera prestandan hos solcellen, som når en effektivitet på 70 procent. Senare använde de grönt ljus som ett hjälpmedel och ökade så småningom effektiviteten av nära-infrarött ljus till mer än 200 procent.
Forskarna analyserade att detta främst beror på att det extra gröna ljuset leder till en ansamling av elektroner i kalkogenidlagret. Detta fungerar som en reservoar av laddning som frigörs när en infraröd foton absorberas av det organiska skiktet - med andra ord, för varje infraröd foton som passerar igenom och omvandlas till en elektron, får den en medföljande extra elektron, vilket resulterar i en effektivitet på 200 procent eller mer.
Teamet testade ovanstående tandemfotodiodenhet och visade att den är lämplig för flexibla enheter i labbet, som kan fånga subtila signaler, såsom människans hjärta eller andningsfrekvens, i miljöer med realistiskt bakgrundsljus. Forskarna placerade enheten 130 centimeter från fingret och kunde faktiskt upptäcka små förändringar i mängden infrarött ljus som reflekterades tillbaka till dioden.
Forskarna vill se om enheten kan förbättras ytterligare och utforska om enheten kan testas kliniskt, till exempel genom att göra den snabbare. Det är också känt att "FORSEE"-projektet som leds av TU/e-forskaren Sveta Zinger samarbetar med Catharina Hospital i Eindhoven för att utveckla en smart kamera som kan observera en patients hjärt- och andningsfrekvens.