Ученые создали датчик, который преобразует свет в электрический сигнал с поразительной 200-процентной эффективностью — кажущаяся невозможной цифра была достигнута благодаря странностям квантовой физики.
Эффективность фотодиода обычно измеряется количеством доступных световых частиц, которые он может преобразовать в электрические сигналы. В данном случае речь идет о конкретном параметре: выходе фотоэлектронов, иначе говоря о количестве электронов, генерируемых фотонами, попадающими на датчик.
Фотоэлектронный выход фотодиода определяется его квантовой эффективностью — существенной способностью материала производить частицы, несущие заряд, на фундаментальном уровне, а не количеством производимой электроэнергии. «Это звучит невероятно, но мы не говорим здесь об обычной энергоэффективности», — объяснил инженер-химик Рене Янссен из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах. По его словам, в мире фотодиодов важна квантовая эффективность. Вместо общего количества солнечной энергии учитывается количество фотонов, которые диод преобразует в электроны.
Как работает новый фотодиод
В качестве отправной точки команда работала над устройством, которое сочетало в себе два типа элементов солнечной панели: перовскит и органический. Укладывая клетки таким образом, что свет, пропущенный одним слоем, улавливается другим, исследователи достигли 70% эффективности.
Чтобы увеличить этот показатель, был введен дополнительный зеленый свет. Датчик также был оптимизирован, чтобы улучшить его способность фильтровать различные типы света и вообще не реагировать на свет. Это и привело к тому, что квантовая эффективность фотодиода превысила 200%, хотя на данном этапе точно не ясно, почему происходит такое значительное повышение.
Ответ может заключаться в том, как именно фотодиоды производят ток. Фотоны возбуждают электроны в материале фотодиода, заставляя их мигрировать и создавая накопление заряда. Исследователи предполагают, что зеленый свет может высвобождать электроны на одном слое, которые преобразуются в ток только тогда, когда фотоны ударяют по другому слою.
«Мы считаем, что дополнительный зеленый свет приводит к накоплению электронов в слое перовскита. Этот процесс действует как резервуар зарядов, который высвобождается, когда инфракрасные фотоны поглощаются органическим слоем» », — говорит инженер-химик Риккардо Олеаро из Технологического университета Эйндховена. Другими словами, каждый инфракрасный фотон, который проходит и превращается в электрон, получает компанию от бонусного электрона, что приводит к эффективности 200% или более.
Более эффективный фотодиод также является более чувствительным фотодиодом, который лучше способен наблюдать очень небольшие изменения света с больших расстояний. Это возвращает нас к измерению частоты сердечных сокращений и уровня дыхания.
Используя свой сверхтонкий фотодиод, который в сто раз тоньше листа газеты, исследователи измерили небольшие изменения в инфракрасном свете, отраженном от пальца с расстояния 130 сантиметров. Результаты оказались верными: представьте себе классический датчик измерения давления и пульса, который работал бы сквозь толстую столешницу.
Используя аналогичную установку, команда измерила частоту дыхания по легким движениям грудной клетки. По сути, у устройства есть потенциал, который пригодился бы для всех видов мониторинга и медицинских целей, если технологию удастся поставить на поток. В будущем исследователи надеются сделать прибор быстрее, чтобы его было удобнее использовать в прикладных целях.