Einem Netzwerk von Physikerorganisationen zufolge haben finnische Forscher kürzlich einen schwarzen Silizium-Fotodetektor mit einer externen Quanteneffizienz von 130 % entwickelt. Damit überschreitet die Effizienz von Photovoltaikgeräten erstmals die theoretische Grenze von 100 %, was die Effizienz von fotoelektrischen Detektoren deutlich verbessern dürfte. Diese Geräte finden breite Anwendung in Autos, Mobiltelefonen, Smartwatches und medizinischer Ausrüstung.
Ein Photodetektor ist ein Sensor, der Licht oder andere elektromagnetische Energie messen, Photonen in elektrischen Strom umwandeln und die absorbierten Photonen zu Elektronen-Loch-Paaren verarbeiten kann. Der Photodetektor umfasst beispielsweise eine Photodiode und einen Phototransistor. Die Quanteneffizienz definiert den Prozentsatz der von einem Gerät wie einem Photodetektor empfangenen Photonen in Elektronen-Loch-Paaren. Das heißt, die Quanteneffizienz entspricht der Anzahl der photogenerierten Elektronen geteilt durch die Anzahl der einfallenden Photonen.
Wenn ein einfallendes Photon ein Elektron in einem externen Schaltkreis erzeugt, beträgt die externe Quanteneffizienz des Geräts 100 % (was bisher als theoretische Grenze galt). In der neuesten Studie erreichte der schwarze Silizium-Fotodetektor eine Effizienz von bis zu 130 Prozent, was bedeutet, dass ein einfallendes Photon etwa 1,3 Elektronen erzeugt.
Laut Forschern der Aalto-Universität ist die Geheimwaffe hinter diesem bahnbrechenden Durchbruch der Ladungsträgermultiplikationsprozess, der in der einzigartigen Nanostruktur des schwarzen Silizium-Fotodetektors stattfindet und durch hochenergetische Photonen ausgelöst wird. Bisher war es Wissenschaftlern nicht möglich, dieses Phänomen in realen Geräten zu beobachten, da elektrische und optische Verluste die Anzahl der gesammelten Elektronen reduzierten. „Unsere nanostrukturierten Geräte weisen weder Rekombination noch Reflexionsverluste auf, sodass wir alle multiplizierten Ladungsträger sammeln können“, erklärte Studienleiterin Professor Hera Severn.
Diese Effizienz wurde vom Institut für Physikalische Technik der Physikalisch-Technischen Gesellschaft (PTB), dem genauesten und zuverlässigsten Messdienst Europas, bestätigt.
Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Rekordeffizienz bedeutet, dass Wissenschaftler die Leistung photoelektrischer Erkennungsgeräte 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 mit der Produktion solcher Detektoren für den kommerziellen Einsatz begonnen.
Veröffentlichungszeit: 11. Juli 2023