"Harry Potter"-Lichtsensor erreicht einen magisch hohen Wirkungsgrad von 200 Prozent
Riccardo Ollearo von der TU Eindhoven hat eine Fotodiode entwickelt, die eine Empfindlichkeit aufweist, von der viele nur träumen können
Sonnenkollektoren mit mehreren gestapelten Zellen brechen derzeit Rekorde. Bemerkenswerterweise ist es einem Team von Forschern der Technischen Universität Eindhoven und des TNO am Holst Centre jetzt gelungen, Photodioden - basierend auf einer ähnlichen Technologie - mit einer Photoelektronenausbeute von mehr als 200 Prozent herzustellen. Man sollte meinen, dass Wirkungsgrade von mehr als 100 Prozent nur mit Alchemie und anderen Harry-Potter-ähnlichen Zaubereien möglich sind. Aber es ist machbar. Die Antwort liegt in der magischen Welt der Quanteneffizienz und der gestapelten Solarzellen.
René Janssen, Professor an der Technischen Universität Eindhoven und Mitautor eines neuen Science Advances-Artikels, erklärt. "Ich weiß, das klingt unglaublich. Aber wir reden hier nicht über normale Energieeffizienz. Was in der Welt der Fotodioden zählt, ist die Quanteneffizienz. Statt der Gesamtmenge an Sonnenenergie wird die Anzahl der Photonen gezählt, die die Diode in Elektronen umwandelt.
Ich vergleiche das immer mit der Zeit, als wir noch Gulden und Lira hatten. Wenn ein Tourist aus den Niederlanden während seines Italienurlaubs für seine 100 Gulden nur 100 Lire bekommen hätte, hätte er sich vielleicht ein bisschen übers Ohr gehauen gefühlt. Aber da jeder Gulden quantitativ als eine Lira zählt, erreichten sie immer noch einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Das gilt auch für Fotodioden: Je besser die Diode schwache Lichtsignale erkennen kann, desto höher ist ihr Wirkungsgrad."
Man sollte meinen, dass Wirkungsgrade von mehr als 100 Prozent nur mit Alchemie und anderen Harry-Potter-ähnlichen Zaubereien möglich sind. Aber es ist machbar. Die Antwort liegt in der magischen Welt der Quanteneffizienz und der gestapelten Solarzellen (Symbolbild).
Computer-generated image
Einzelheiten der in der Versuchsanordnung verwendeten Photodiode.
TU/e | Bart van Overbeeke
Dunkler Strom
Photodioden sind lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, die einen Strom erzeugen, wenn sie Photonen von einer Lichtquelle absorbieren. Sie werden als Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Medizin, bei der Überwachung am Körper, in der Lichtkommunikation, in Überwachungssystemen und beim maschinellen Sehen. In all diesen Bereichen ist eine hohe Empfindlichkeit der Schlüssel.
Damit eine Fotodiode richtig funktioniert, muss sie zwei Bedingungen erfüllen. Erstens muss sie den Strom minimieren, der in Abwesenheit von Licht erzeugt wird, den so genannten Dunkelstrom. Je geringer der Dunkelstrom, desto empfindlicher ist die Diode. Zweitens sollte sie in der Lage sein, den Pegel des Hintergrundlichts (das "Rauschen") von dem relevanten Infrarotlicht zu unterscheiden. Leider passen diese beiden Dinge normalerweise nicht zusammen, im Gegenteil.
Tandem
Vor vier Jahren machte sich Riccardo Ollearo, einer von Janssens Doktoranden und Hauptautor der Arbeit, daran, dieses Rätsel zu lösen. In Zusammenarbeit mit dem Fotodetektor-Team des Holst Centre, einem Forschungsinstitut, das sich auf drahtlose und gedruckte Sensortechnologien spezialisiert hat, baute Ollearo eine so genannte Tandem-Diode, ein Gerät, das sowohl Perowskit- als auch organische PV-Zellen kombiniert.
Durch die Kombination dieser beiden Schichten - eine Technik, die zunehmend auch in modernen Solarzellen eingesetzt wird - konnte er beide Bedingungen optimieren und einen Wirkungsgrad von 70 Prozent erreichen.
"Beeindruckend, aber nicht genug", sagt der ehrgeizige Jungforscher aus Italien. "Ich wollte sehen, ob ich den Wirkungsgrad mit Hilfe von grünem Licht noch weiter steigern kann. Aus früheren Forschungen wusste ich, dass das Beleuchten von Solarzellen mit zusätzlichem Licht ihre Quanteneffizienz verändern und in einigen Fällen sogar steigern kann. Zu meiner Überraschung funktionierte dies bei der Verbesserung der Empfindlichkeit der Fotodiode sogar besser als erwartet. Wir konnten den Wirkungsgrad für Nahinfrarotlicht auf über 200 Prozent steigern!"
Geheimnisvoll
Bis zu diesem Zeitpunkt wissen die Forscher noch nicht genau, wie das funktioniert, obwohl sie eine Theorie entwickelt haben, die den Effekt erklären könnte.
"Wir denken, dass das zusätzliche grüne Licht zu einer Anhäufung von Elektronen in der Perowskit-Schicht führt. Dies wirkt wie ein Ladungsreservoir, das freigesetzt wird, wenn Infrarot-Photonen in der organischen Schicht absorbiert werden", sagt Ollearo. "Mit anderen Worten: Jedes Infrarot-Photon, das durchkommt und in ein Elektron umgewandelt wird, wird von einem zusätzlichen Elektron begleitet, was zu einem Wirkungsgrad von 200 Prozent oder mehr führt. Stellen Sie sich das so vor, als bekämen Sie zwei Lira für Ihren Gulden, statt einer!"
Die Diode auf dem Prüfstand
Der Forscher testete die Fotodiode, die hundertmal so dünn wie ein Blatt Zeitungspapier ist und sich für den Einsatz in flexiblen Geräten eignet, im Labor. "Wir wollten sehen, ob das Gerät subtile Signale, wie die Herz- oder Atemfrequenz eines Menschen, in einer Umgebung mit realistischem Hintergrundlicht erfassen kann. Wir entschieden uns für ein Szenario in einem Innenraum, an einem sonnigen Tag mit teilweise geschlossenen Vorhängen. Und es hat funktioniert!"
Indem sie das Gerät 130 cm von einem Finger entfernt hielten, konnten die Forscher winzige Veränderungen in der Menge des Infrarotlichts feststellen, das in die Diode zurückreflektiert wurde. Diese Veränderungen stellen einen korrekten Hinweis auf Veränderungen des Blutdrucks in den Venen einer Person dar, die wiederum die Herzfrequenz anzeigen. Wenn man das Gerät auf den Brustkorb einer Person richtete, konnte man anhand der Lichtbewegungen im Brustkorb die Atemfrequenz messen".
Zukunft
Mit der Veröffentlichung des Artikels in Science Advances ist Ollearos Arbeit so gut wie abgeschlossen. Er wird seine Dissertation am 21. April verteidigen. Ist die Forschung damit beendet?
"Nein, natürlich nicht. Wir wollen sehen, ob wir das Gerät weiter verbessern können, zum Beispiel indem wir es schneller machen", sagt Janssen. "Wir wollen auch untersuchen, ob wir das Gerät klinisch testen können, zum Beispiel in Zusammenarbeit mit dem FORSEE-Projekt".
Das FORSEE-Projekt, das von der TU/e-Forscherin Sveta Zinger geleitet wird und mit dem Catharina-Krankenhaus in Eindhoven zusammenarbeitet, entwickelt eine intelligente Kamera, die die Herz- und Atemfrequenz eines Patienten überwachen kann.
Hoffen wir, dass die Forscher der TU/e und der TNO weiterhin beweisen, dass man kein Harry Potter sein muss, um erstaunliche wissenschaftliche Leistungen zu vollbringen!
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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