Инженеры создали «невозможный» датчик света с эффективностью 200%
Ученые создали датчик, который преобразует свет в электрический сигнал с поразительной 200-процентной эффективностью — кажущаяся невозможной цифра, которая была достигнута благодаря странностям квантовой физики. Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Такова чувствительность устройства, известного как фотодиод, команда, ответственная за его инновацию, говорит, что потенциально его можно использовать в технологии, которая контролирует жизненные показатели человека (включая сердцебиение или частоту дыхания) без необходимости вставлять или даже прикреплять что-либо к датчику. тело.
Эффективность фотодиода обычно измеряется количеством доступных световых частиц, которые он может преобразовать в электрические сигналы. Здесь ученые говорят о чем-то близком, но более конкретном: выходе фотоэлектронов или 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», — сказал инженер-химик Рене Янссен из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах. «В мире фотодиодов важна квантовая эффективность. Вместо общего количества солнечной энергии учитывается количество фотонов, которые диод преобразует в электроны».
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-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.
Ключ может заключаться в том, 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 ударяют по другому слою.
«Мы считаем, что дополнительный зеленый свет приводит к накоплению электронов в слое перовскита», — пояснил инженер-химик Риккардо Олеаро из Технологического университета Эйндховена. «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 бонусного электрона, что приводит к эффективности 200 процентов 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. Было показано, что это соответствует кровяному давлению и частоте сердечных сокращений, как это делает датчик умных часов, но работающий через стол.
Используя аналогичную установку, команда измерила частоту дыхания по легким движениям 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».
Обсудим?
Смотрите также:
