Laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht des Netzwerks der Physiker haben finnische Forscher einen schwarzen Silizium-Photodetektor mit einer externen Quanteneffizienz von 130 % entwickelt. Dies ist das erste Mal, dass die Effizienz von Photovoltaik-Bauelementen die theoretische Grenze von 100 % übersteigt. Es wird erwartet, dass dies die Effizienz von photoelektrischen Detektionsgeräten erheblich verbessern wird, und diese Geräte werden in großem Umfang in Autos, Mobiltelefonen, Smartwatches und medizinischen Geräten eingesetzt.
Ein Fotodetektor ist ein Sensor, der Licht oder andere elektromagnetische Energie messen, Photonen in elektrischen Strom umwandeln und die absorbierten Photonen in Elektron-Loch-Paare umwandeln kann. Zu den Fotodetektoren gehören unter anderem Fotodioden und Fototransistoren. Die Quanteneffizienz definiert den Prozentsatz der von einem Bauelement wie einem Fotodetektor empfangenen Photonen, die in Elektron-Loch-Paare umgewandelt werden. Sie entspricht dem Verhältnis der Anzahl der photogenerierten Elektronen zur Anzahl der einfallenden Photonen.
Wenn ein einfallendes Photon ein Elektron in einem externen Stromkreis erzeugt, beträgt die externe Quanteneffizienz des Bauelements 100 % (bisher als theoretische Grenze angesehen). In der neuesten Studie erreichte der Photodetektor aus schwarzem Silizium eine Effizienz von bis zu 130 Prozent, was bedeutet, dass ein einfallendes Photon etwa 1,3 Elektronen erzeugt.
Laut Forschern der Aalto-Universität liegt der Schlüssel zu diesem bedeutenden Durchbruch in der Ladungsträgervervielfachung innerhalb der einzigartigen Nanostruktur des schwarzen Silizium-Photodetektors, ausgelöst durch hochenergetische Photonen. Bisher war es Wissenschaftlern nicht möglich, dieses Phänomen in realen Bauelementen zu beobachten, da elektrische und optische Verluste die Anzahl der gesammelten Elektronen reduzierten. „Unsere nanostrukturierten Bauelemente weisen keine Rekombination und keine Reflexionsverluste auf, sodass wir alle vervielfachten Ladungsträger erfassen können“, erklärte Studienleiterin Professorin Hera Severn.
Diese Effizienz wurde vom Institut für Physikalische Technologie der Deutschen Gesellschaft für Metrologie (PTB), dem genauesten und zuverlässigsten Messdienst in Europa, bestätigt.
Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Rekordeffizienz bedeutet, dass Wissenschaftler die Leistung von fotoelektrischen Detektionsgeräten erheblich verbessern können.
„Unsere Detektoren haben großes Interesse geweckt, insbesondere in den Bereichen Biotechnologie und industrielle Prozessüberwachung“, sagte Dr. Mikko Juntuna, CEO von ElfysInc, einem Unternehmen der Aalto-Universität. Berichten zufolge hat das Unternehmen bereits mit der kommerziellen Fertigung dieser Detektoren begonnen.
Veröffentlichungsdatum: 11. Juli 2023