Fyysikkojen järjestöverkoston mukaan suomalaiset tutkijat ovat äskettäin kehittäneet mustasta piimateriaalista valmistetun fotodetektorin, jonka ulkoinen kvanttihyötysuhde on 130 %. Tämä on ensimmäinen kerta, kun aurinkosähkölaitteiden hyötysuhde ylittää teoreettisen 100 %:n rajan. Tämän odotetaan parantavan huomattavasti fotoelektristen ilmaisimien hyötysuhdetta, ja näitä laitteita käytetään laajalti autoissa, matkapuhelimissa, älykelloissa ja lääketieteellisissä laitteissa.
Fotodetektori on anturi, joka voi mitata valoa tai muuta sähkömagneettista energiaa, muuntaa fotoneja sähkövirraksi ja absorboituneet fotonit muodostavat elektroni-aukko-pareja. Fotodetektori sisältää fotodiodin ja fototransistorin jne. Kvanttitehokkuutta käytetään määrittelemään laitteen, kuten fotodetektorin, vastaanottamien fotonien prosenttiosuus elektroni-aukko-pariin, eli kvanttitehokkuus on yhtä suuri kuin fotogeneroituneiden elektronien lukumäärä jaettuna tulevien fotonien lukumäärällä.
Kun tuleva fotoni tuottaa elektronin ulkoiseen piiriin, laitteen ulkoinen kvanttihyötysuhde on 100 % (aiemmin ajateltu olevan teoreettinen raja). Viimeisimmässä tutkimuksessa mustasta piimateriaalista valmistetun fotodetektorin hyötysuhde oli jopa 130 prosenttia, mikä tarkoittaa, että yksi tuleva fotoni tuottaa noin 1,3 elektronia.
Aalto-yliopiston tutkijoiden mukaan tämän merkittävän läpimurron salainen ase on mustan piivalonilmaisimen ainutlaatuisessa nanorakenteessa tapahtuva varauksenkuljettajien moninkertaistumisprosessi, jonka laukaisevat korkeaenergiset fotonit. Aiemmin tutkijat eivät olleet pystyneet havaitsemaan ilmiötä todellisissa laitteissa, koska sähköiset ja optiset häviöt vähensivät kerättyjen elektronien määrää. ”Nanorakenteisissa laitteissamme ei ole rekombinaatiota eikä heijastushäviöitä, joten voimme kerätä kaikki moninkertaistuneet varauksenkuljettajat”, selitti tutkimuksen johtaja professori Hera Severn.
Tämän tehokkuuden on todentanut Saksan kansallisen metrologiayhdistyksen (PTB) fysikaalisen teknologian instituutti, joka on Euroopan tarkin ja luotettavin mittauspalvelu.
Tutkijat huomauttavat, että tämä ennätystehokkuus tarkoittaa, että tiedemiehet voivat parantaa huomattavasti valosähköisten ilmaisinlaitteiden suorituskykyä.
”Detektorimme ovat herättäneet paljon kiinnostusta erityisesti bioteknologian ja teollisten prosessien seurannan aloilla”, sanoo Aalto-yliopiston omistaman ElfysInc-yrityksen toimitusjohtaja, tohtori Mikko Juntuna. Yrityksen kerrotaan alkaneen valmistaa tällaisia detektoreita kaupalliseen käyttöön.
Julkaisun aika: 11.7.2023