Juodojo silicio fotodetektorius viršija 100% efektyvumo ribą ir – o kaip be to!? – šokiruoja mokslininkus

Aalto universiteto tyrėjai sukūrė juodojo silicio fotodetektorius, pasiekiančius didesnį, nei 130% efektyvumą. Tad, pirmą kartą fotovolotinis prietaisas viršijo 100% išorinio kvantinio efektyvumo ribą UV bangų ruože. Šis rezultatas atveria perspektyvas pasiekti efektyvumą, viršijantį garsiąją Shockley-Queisser ribą.

„Kai išvydome rezultatus, sunkiai patikėjome savo akimis. Iš karto norėjome patikrinti rezultatus nepriklausomais matavimais,“ prisimena prof. Hele Savin, Aalto universiteto Elektronų fizikos tyrimo grupės vadovė.

Nepriklausomus matavimus atliko Vokietijos Nacionalinis metrologijos institutas, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), kuris garsėja kaip tiksliausių ir patikimiausių matavimo paslaugų tiekėjas Europoje.

PTB radiometrijos jutiklių laboratorijos vadovas, Dr. Lutz Werner komentuoja: „Išvydęs rezultatus, iš karto suvokiau, kad tai reikšmingas proveržis — ir tuo pat metu žingsnis, mūsų, metrologų išsvajoto didesnio jautrumo link.“

Proveržio paslaptis: unikalios nanostruktūros

Prietaiso išorinis kvantinis efektyvumas yra 100%, kai vienas krentantis fotonas išorinėje grandinėje sukuria vieną elektroną. 130% efektyvumas reiškia, kad vienas fotonas sukuria vidutiniškai 1,3 elektrono.

Tyrėjai išsiaiškino, kad šis išskirtinai aukštas išorinis kvantinis efektyvumas randasi iš krūvininko dauginimo proceso silicio nanostruktūroje, kurį sukelia aukštos energijos fotonai. Anksčiau toks fenomenas realiuose prietaisuose nebuvo užfiksuotas dėl sukuriamų elektronų skaičių sumažinančių elektrinių ir optinių nuostolių.

„Galime surinkti visus padaugintus krūvininkus, be atskirų pataisymų, nes mūsų nanostruktūriniame prietaise nėra rekombinacinių ir atspindžių nuostolių,“ paaiškina profesorė Savin.

Praktikoje toks rekordiškas efektyvumas reiškia, kad gali būti drastiškai pagerintas bet kokių į šviesą reaguojančių prietaisų efektyvumas. Šviesos detektoriai plačiai naudojami kasdieniame gyvenime, pavyzdžiui, automobiliuose, mobiliuosiuose telefonuose, išmaniuosiuose laikrodžiuose, medicinos įrangoje.

„Mūsų jutikliai dabar sulaukia daug dėmesio, ypač biotechnologijų ir pramonės procesų stebėjimo srityje,“ sako Dr. Mikko Juntunen, Aalto universiteto įkurtos kompanijos, Elfys Inc. direktorius. Jie jau gamina rekordinius jutiklius komerciniam naudojimui.

Rekordinį efektyvumą parodžiusio darbo rezultatai priimti publikavimui Physical Review Letters žurnalo straipsnyje „Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%.“

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.117702

Aalto University

Nuoroda: „Black-Silicon Ultraviolet Photodiodes Achieve External Quantum Efficiency above 130% „by M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. A. Juntunen and H. Savin, 8 September 2020, Physical Review Letters.