Aufzeichnung des Fotodetektors aus schwarzem Silizium: externe Quanteneffizienz bis zu 132 %

Schwarzes SilikonFotodetektorRekord: externe Quanteneffizienz bis zu 132 %

Medienberichten zufolge haben Forscher der Aalto-Universität ein optoelektronisches Gerät mit einer externen Quanteneffizienz von bis zu 132 % entwickelt. Diese unwahrscheinliche Leistung wurde durch die Verwendung von nanostrukturiertem schwarzem Silizium erreicht, was ein großer Durchbruch für Solarzellen und andere sein könnteFotodetektoren. Wenn ein hypothetisches Photovoltaikgerät eine externe Quanteneffizienz von 100 Prozent hat, bedeutet das, dass jedes Photon, das darauf trifft, ein Elektron erzeugt, das über einen Stromkreis als Elektrizität gesammelt wird.

Und dieses neue Gerät erreicht nicht nur einen Wirkungsgrad von 100 Prozent, sondern sogar über 100 Prozent. 132 % bedeutet 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 keine 0,32 zusätzlichen Elektronen aus der Luft erzeugen, schließlich sagt die Physik, dass Energie nicht aus der Luft erzeugt werden kann. Woher kommen also diese zusätzlichen Elektronen?

Es kommt auf das allgemeine Funktionsprinzip photovoltaischer Materialien an. Trifft ein Photon des einfallenden Lichts auf eine aktive Substanz, meist Silizium, schlägt es ein Elektron aus einem der Atome. Aber in manchen Fällen kann ein hochenergetisches Photon zwei Elektronen ausschalten, ohne gegen physikalische Gesetze zu verstoßen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Nutzung dieses Phänomens sehr hilfreich sein kann, um das Design von Solarzellen zu verbessern. Bei vielen optoelektronischen Materialien geht die Effizienz auf verschiedene Weise verloren, unter anderem wenn Photonen vom Gerät reflektiert werden oder Elektronen mit den „Löchern“ in den Atomen rekombinieren, bevor sie vom Schaltkreis gesammelt werden.

Aber Aaltos Team sagt, dass sie diese Hindernisse weitgehend beseitigt haben. Schwarzes Silizium absorbiert mehr Photonen als andere Materialien und die sich verjüngenden und säulenförmigen Nanostrukturen reduzieren die Elektronenrekombination auf der Materialoberfläche.

Insgesamt haben diese Fortschritte es ermöglicht, dass die externe Quanteneffizienz des Geräts 130 % erreicht. Die Ergebnisse des Teams wurden sogar von der PTB (Deutsche Bundesanstalt für Physik) unabhängig überprüft.

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