Rekord für Fotodetektoren aus schwarzem Silizium: Externe Quanteneffizienz bis zu 132 %

Schwarzes SilikonFotodetektorRekord: Externe Quanteneffizienz bis zu 132 %

Medienberichten zufolge haben Forscher der Aalto-Universität ein optoelektronisches Bauelement mit einer externen Quanteneffizienz von bis zu 132 % entwickelt. Dieser bemerkenswerte Erfolg wurde durch die Verwendung von nanostrukturiertem schwarzem Silizium erzielt und könnte einen bedeutenden Durchbruch für Solarzellen und andere Technologien darstellen.FotodetektorenWenn eine hypothetische Photovoltaikzelle einen externen Quantenwirkungsgrad von 100 Prozent aufweist, bedeutet dies, dass jedes auftreffende Photon ein Elektron erzeugt, das über einen Stromkreis als Elektrizität aufgefangen wird.

Dieses neue Gerät erreicht nicht nur einen Wirkungsgrad von 100 Prozent, sondern sogar mehr als 100 Prozent. 132 Prozent entsprechen durchschnittlich 1,32 Elektronen pro Photon. Es verwendet schwarzes Silizium als aktives Material und verfügt über eine kegel- und säulenförmige Nanostruktur, die ultraviolettes Licht absorbieren kann.

Offensichtlich kann man nicht 0,32 zusätzliche Elektronen aus dem Nichts erzeugen, schließlich besagt die Physik, dass Energie nicht aus dem Nichts erzeugt werden kann. Woher kommen also diese zusätzlichen Elektronen?

Letztendlich beruht alles auf dem allgemeinen Funktionsprinzip von Photovoltaikmaterialien. Wenn ein Photon des einfallenden Lichts auf ein aktives Material, üblicherweise Silizium, trifft, schlägt es ein Elektron aus einem der Atome heraus. In manchen Fällen kann ein hochenergetisches Photon jedoch zwei Elektronen herausschlagen, ohne dabei gegen physikalische Gesetze zu verstoßen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Nutzung dieses Phänomens die Entwicklung von Solarzellen erheblich verbessern kann. Bei vielen optoelektronischen Materialien geht die Effizienz auf verschiedene Weise verloren, beispielsweise wenn Photonen vom Bauelement reflektiert werden oder Elektronen mit den in den Atomen verbleibenden „Löchern“ rekombinieren, bevor sie vom Schaltkreis erfasst werden.

Doch Aaltos Team gibt an, diese Hindernisse weitgehend beseitigt zu haben. Schwarzes Silizium absorbiert mehr Photonen als andere Materialien, und die sich verjüngenden und säulenförmigen Nanostrukturen reduzieren die Elektronenrekombination an der Materialoberfläche.

Insgesamt haben diese Fortschritte es ermöglicht, die externe Quanteneffizienz des Geräts auf 130 % zu steigern. Die Ergebnisse des Teams wurden sogar unabhängig vom deutschen Bundesinstitut für Physik (PTB) bestätigt.

Laut den Forschern könnte diese Rekordeffizienz die Leistung praktisch aller Fotodetektoren verbessern, einschließlich Solarzellen und anderer Lichtsensoren, und der neue Detektor wird bereits kommerziell eingesetzt.