Rekord für Fotodetektoren aus schwarzem Silizium: Externe Quanteneffizienz von 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 ungewöhnliche Leistung wurde durch die Verwendung von nanostrukturiertem schwarzem Silizium erreicht, was einen großen Durchbruch für Solarzellen und andere Anwendungen bedeuten könnte.FotodetektorenWenn 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 100 Prozent Effizienz, sondern sogar mehr als 100 Prozent. 132 % bedeuten 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.

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

Es liegt am allgemeinen Funktionsprinzip von Photovoltaikmaterialien. Trifft ein Photon des einfallenden Lichts auf eine aktive Substanz, meist Silizium, schlägt es ein Elektron aus einem der Atome heraus. In manchen Fällen kann ein energiereiches Photon jedoch zwei Elektronen herausschlagen, ohne physikalische Gesetze zu verletzen.

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 Bauteil reflektiert werden oder Elektronen mit den in den Atomen verbleibenden „Löchern“ rekombinieren, bevor sie vom Schaltkreis erfasst werden.

Doch Aaltos Team sagt, diese Hindernisse seien weitgehend ausgeräumt. Schwarzes Silizium absorbiert mehr Photonen als andere Materialien, und die konischen und säulenförmigen Nanostrukturen reduzieren die Elektronenrekombination an der Materialoberfläche.

Insgesamt ermöglichten diese Fortschritte eine externe Quanteneffizienz des Bauelements von 130 %. Die Ergebnisse des Teams wurden sogar von der Physikalischen Bundesanstalt (PTB) unabhängig bestätigt.

Laut den Forschern könnte dieser Rekordwirkungsgrad die Leistung praktisch jedes Fotodetektors verbessern, einschließlich Solarzellen und anderer Lichtsensoren, und der neue Detektor wird bereits kommerziell genutzt.