Инженеры создали «невозможный» датчик света с эффективностью 200%

Ученые создали датчик, который преобразует свет в электрический сигнал с поразительной эффективностью в 200 процентов — кажущаяся невозможной цифра, которая была достигнута благодаря странностям квантовой физики.

Такова чувствительность устройства. известный как фотодиод, команда, ответственная за его инновацию, говорит, что потенциально может быть использована в технологии, которая отслеживает жизненные показатели человека (включая сердцебиение или частоту дыхания) без необходимости вставлять что-либо или даже прикреплять к телу.

Эффективность фотодиода обычно измеряется количеством доступных световых частиц, которые он может преобразовать в электрические сигналы. Здесь ученые говорят о чем-то тесно связанном, но немного более конкретном: выходе фотоэлектронов или количестве электронов, генерируемых фотонами, попадающими на датчик.

Выход фотоэлектронов фотодиода определяется его квантом эффективность — существенная способность материала производить частицы, несущие заряд, на фундаментальном уровне, а не количество вырабатываемой электроэнергии.

«Это звучит невероятно, но мы не говорим об этом. Здесь речь идет об обычной энергоэффективности», — говорит инженер-химик Рене Янссен из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах.

«В мире фотодиодов важна квантовая эффективность. Вместо общего количества солнечной энергии , он подсчитывает количество фотонов, которые диод преобразует в электроны».

В качестве отправной точки команда работала над устройством, которое сочетало в себе два типа элементов солнечной панели: перовскитные и органические. Укладывая клетки таким образом, что свет, пропущенный одним слоем, улавливается другим, исследователи достигли 70-процентной квантовой 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 привело к тому, что квантовая эффективность фотодиода превысила 200 процентов, хотя на данном этапе точно не ясно, почему происходит такое повышение.

Ключом может быть то, как 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 сталкиваются с другим слоем.

«Мы считаем, что дополнительный зеленый свет приводит к накоплению электронов в слое перовскита», — говорит инженер-химик Риккардо Олеаро из Эйндховенского университета. технологии. «Это действует как резервуар зарядов, который высвобождается, когда инфракрасные фотоны поглощаются органическим слоем».

«Другими словами, каждый инфракрасный фотон, который проходит и превращается в электрон, получает компанию от бонусный электрон, что приводит к эффективности 200 процентов или более».

Более эффективный фотодиод также является более чувствительным фотодиодом, который лучше способен наблюдать очень небольшие изменения в свете на больших расстояниях. Это возвращает нас к измерению частоты сердечных сокращений и уровня дыхания.

Используя сверхтонкий фотодиод, который в сто раз тоньше листа газеты, исследователи измерили небольшие изменения в инфракрасном свете, отраженном от пальцем с расстояния 130 сантиметров (51,2 дюйма). Было показано, что это соответствует артериальному давлению и частоте сердечных сокращений, как это делает датчик умных часов, но работает через стол.

С помощью аналогичной настройки команда измерила частоту дыхания при легких движениях грудной клетки. Здесь есть потенциал для всех видов мониторинга и медицинских целей, если технология может быть успешно развита из лабораторной стадии.

«Мы хотим посмотреть, сможем ли мы еще больше улучшить устройство, например, сделав его быстрее. «, — говорит Янссен. «Мы также хотим выяснить, можем ли мы клинически протестировать устройство».

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.