Dieser „Harry Potter“-Lichtsensor erreicht einen magisch hohen Wirkungsgrad von 200 %

17. Februar 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von der Technischen Universität Eindhoven

Mit grünem Licht und einer doppelschichtigen Zelle hat Ph.D. Der Forscher Riccardo Ollearo hat eine Fotodiode mit einer Empfindlichkeit entwickelt, 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 Centre nun gelungen ist, Fotodioden – basierend auf einer ähnlichen Technologie – mit einer Photoelektronenausbeute von mehr als 200 % herzustellen. Man könnte meinen, dass Wirkungsgrade von mehr als 100 % nur mit Alchemie und anderen Harry-Potter-ähnlichen Zauberkünsten 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 nur 100 Lira für seine 100 Gulden bekommen hätte, hätte er sich vielleicht etwas unterlegen gefühlt. Aber weil quantitativ gesehen Jeder Gulden zählt als eine Lira, sie erreichen immer noch einen Wirkungsgrad von 100 %. Das gilt auch für Fotodioden: Je besser die Diode schwache Lichtsignale erkennen kann, desto höher ist ihr Wirkungsgrad.“

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.

Vor vier Jahren hat Riccardo Ollearo, einer von Janssens Ph.D. Studenten und Hauptautor der Arbeit machten sich daran, dieses Rätsel zu lösen. Bei seiner Forschung schloss er sich mit dem Fotodetektorteam des Holst Center 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 % 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 sogar noch besser funktioniert als erwartet. Wir konnten die Effizienz für Licht im nahen Infrarot auf über 200 % steigern.“

Bisher wissen die Forscher noch nicht genau, wie das funktioniert, obwohl sie eine Theorie entwickelt haben, die den Effekt erklären könnte.

„Wir glauben, dass das zusätzliche grüne Licht zu einem Aufbau von Elektronen in der Perowskitschicht führt. Diese fungiert als Ladungsreservoir, das 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 % oder mehr führt. Stellen Sie sich vor, Sie erhalten zwei Lira für Ihren Gulden statt einer.“ "

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.

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.

Mehr Informationen: Riccardo Ollearo et al., Vitalitätsüberwachung aus der Ferne mithilfe von Dünnfilm-Tandem-ähnlichen Schmalband-Nahinfrarot-Fotodioden mit lichtverstärkter Reaktionsfähigkeit, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf9861. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9861