Dieser „Harry Potter“-Lichtsensor erreicht mag

Mit grünem Licht und einer doppelschichtigen Zelle hat Riccardo Ollearo von der Technischen Universität Eindhoven eine Fotodiode entwickelt, deren Empfindlichkeit viele nur träumen können.

Technische Universität Eindhoven

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Bildnachweis: TU/e | Bart van Overbeeke

Mit grünem Licht und einer doppelschichtigen Zelle hat der Doktorand Riccardo Ollearo eine Fotodiode entwickelt, die eine Empfindlichkeit aufweist, von der viele nur träumen können.

Solarmodule mit mehreren gestapelten Zellen brechen derzeit Rekorde. Bemerkenswert ist, dass es einem Forscherteam der Technischen Universität Eindhoven und des TNO am Holst Center nun gelungen ist, Fotodioden – basierend auf einer ähnlichen Technologie – mit einer Photoelektronenausbeute von mehr als 200 Prozent herzustellen. Man könnte meinen, dass Wirkungsgrade von mehr als 100 Prozent nur durch Alchemie und andere Harry-Potter-ähnliche Zauberei möglich sind. Aber es ist machbar. Die Antwort liegt in der magischen Welt der Quanteneffizienz und gestapelten Solarzellen. René Janssen, Professor an der Technischen Universität Eindhoven und Mitautor eines neuen Science Advances-Artikels, erklärt. „Ich weiß, das klingt unglaublich. Aber wir reden hier nicht von normaler Energieeffizienz. Was in der Welt der Fotodioden zählt, ist die Quanteneffizienz. Anstelle der Gesamtmenge der Sonnenenergie zählt die Anzahl der Photonen, die die Diode erzeugt.“ wandelt sich in Elektronen um. Ich vergleiche es immer mit der Zeit, als wir noch Gulden und Lira hatten. Wenn ein Tourist aus den Niederlanden während seines Urlaubs in Italien für seine 100 Gulden nur 100 Lira bekommen hätte, wäre er vielleicht etwas unterlegen gewesen. Aber weil in Quantentechnisch betrachtet zählt jeder Gulden als eine Lira, sie erreichten immer noch einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Das gilt auch für Fotodioden: Je besser die Diode schwache Lichtsignale erkennen kann, desto höher ist ihr Wirkungsgrad.“

Dunkle Strömung Fotodioden sind lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, die einen Strom erzeugen, wenn sie Photonen von einer Lichtquelle absorbieren. Sie werden als Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter medizinische Zwecke, tragbare Überwachung, Lichtkommunikation, Überwachungssysteme und maschinelle Bildverarbeitung. In all diesen Bereichen kommt es auf hohe Sensibilität an.

Damit eine Fotodiode ordnungsgemäß funktioniert, muss sie zwei Bedingungen erfüllen. Erstens soll es den Strom minimieren, der bei Abwesenheit von Licht entsteht, den sogenannten Dunkelstrom. Je weniger Dunkelstrom, desto empfindlicher ist die Diode. Zweitens sollte es in der Lage sein, die Stärke des Hintergrundlichts (das „Rauschen“) vom relevanten Infrarotlicht zu unterscheiden. Leider passen diese beiden Dinge meist nicht zusammen, ganz im Gegenteil.

Tandem Vor vier Jahren machte sich Riccardo Ollearo, einer von Janssens Doktoranden und Hauptautor der Arbeit, daran, dieses Rätsel zu lösen. Bei seiner Forschung schloss er sich mit dem Fotodetektorteam des Holst Centre zusammen, einem auf drahtlose und gedruckte Sensortechnologien spezialisierten Forschungsinstitut. Ollearo baute eine sogenannte Tandemdiode, ein Gerät, das sowohl Perowskit- als auch organische PV-Zellen kombiniert.

Durch die Kombination dieser beiden Schichten – eine Technik, die zunehmend auch bei modernen Solarzellen zum Einsatz kommt – gelang es ihm, beide Bedingungen zu optimieren und einen Wirkungsgrad von 70 Prozent zu erreichen.

„Beeindruckend, aber nicht genug“, sagt der ambitionierte junge Forscher aus Italien. „Ich beschloss zu prüfen, ob ich die Effizienz mit Hilfe von grünem Licht noch weiter steigern könnte. Aus früheren Untersuchungen wusste ich, dass die Beleuchtung von Solarzellen mit zusätzlichem Licht ihre Quanteneffizienz verändern und in einigen Fällen steigern kann. Zu meiner Überraschung das.“ hat bei der Verbesserung der Fotodiodenempfindlichkeit noch besser funktioniert als erwartet. Wir konnten die Effizienz für Nahinfrarotlicht auf über 200 Prozent steigern!“

Geheimnis Bisher wissen die Forscher noch nicht genau, wie das funktioniert, haben aber eine Theorie entwickelt, die den Effekt erklären könnte: „Wir gehen davon aus, dass das zusätzliche grüne Licht zu einer Ansammlung von Elektronen im Perowskit führt.“ Schicht. Diese dient als Ladungsspeicher, der freigesetzt wird, wenn Infrarotphotonen in der organischen Schicht absorbiert werden“, sagt Ollearo. „Mit anderen Worten: Jedes Infrarotphoton, das durchkommt und in ein Elektron umgewandelt wird, erhält Gesellschaft von einem Bonuselektron, was zu einer Effizienz von 200 Prozent oder mehr führt. Stellen Sie sich vor, Sie erhalten zwei Lira für Ihren Gulden statt einer.“ !"

Die Diode auf die Probe stellen Die Fotodiode, die hundertmal so dünn ist wie ein Blatt Zeitungspapier und für den Einsatz in flexiblen Geräten geeignet ist, testete der Forscher im Labor. „Wir wollten sehen, ob das Gerät subtile Signale wie die Herz- oder Atemfrequenz eines Menschen in einer Umgebung mit realistischem Hintergrundlicht erfassen kann. Wir entschieden uns für ein Innenszenario an einem sonnigen Tag mit teilweise geschlossenen Vorhängen. Und es hat funktioniert!“ Indem sie das Gerät 130 cm von einem Finger entfernt hielten, konnten die Forscher winzige Veränderungen in der Menge des Infrarotlichts feststellen, das in die Diode zurückreflektiert wurde. Es stellt sich heraus, dass diese Veränderungen ein korrekter Hinweis auf Veränderungen des Blutdrucks in den Venen einer Person sind, die wiederum auf die Herzfrequenz hinweisen. Indem sie das Gerät auf die Brust der Person richteten, konnten sie anhand leichter Bewegungen im Brustkorb die Atemfrequenz messen (siehe Bild).

Zukunft

Mit der Veröffentlichung des Artikels in Science Advances ist Ollearos Arbeit so gut wie abgeschlossen. Er wird seine Dissertation am 21. April verteidigen. Hört die Forschung also hier auf?

„Nein, auf keinen Fall. Wir wollen sehen, ob wir das Gerät noch weiter verbessern können, etwa indem wir es schneller machen“, sagt Janssen. „Wir wollen auch prüfen, ob wir das Gerät klinisch testen können, beispielsweise in Zusammenarbeit mit dem FORSEE-Projekt.“

Das FORSEE-Projekt entwickelt unter der Leitung der TU/e-Forscherin Sveta Zinger und in Zusammenarbeit mit dem Catharina-Krankenhaus in Eindhoven eine intelligente Kamera, die die Herz- und Atemfrequenz eines Patienten beobachten kann.

Hoffen wir, dass die Forscher von TU/e ​​und TNO weiterhin beweisen, dass man kein Harry Potter sein muss, um erstaunliche wissenschaftliche Leistungen zu vollbringen!

Mehr Informationen

Riccardo Ollearo, René Janssen, Gerwin Gelinck et al. Vitalitätsüberwachung aus der Ferne mithilfe von Dünnfilm-Tandem-Schmalband-Nahinfrarot-2-Fotodioden mit lichtverstärkter Empfindlichkeit, Science Advances

Wissenschaftliche Fortschritte

10.1126/sciadv.adf9861

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Vitalitätsüberwachung aus der Ferne mithilfe von Dünnfilm-Tandem-Schmalband-Nahinfrarot-Fotodioden mit lichtverstärkter Empfindlichkeit

17. Februar 2023

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