بازده کوانتومی آشکارساز نوری، محدودیت نظری را شکست

طبق گزارش اخیر شبکه سازمان فیزیکدانان، محققان فنلاندی یک آشکارساز نوری سیلیکون سیاه با بازده کوانتومی خارجی ۱۳۰٪ توسعه داده‌اند که اولین باری است که بازده دستگاه‌های فتوولتائیک از حد نظری ۱۰۰٪ فراتر می‌رود و انتظار می‌رود که این امر به طور قابل توجهی بازده دستگاه‌های تشخیص فوتوالکتریک را بهبود بخشد. این دستگاه‌ها به طور گسترده در خودروها، تلفن‌های همراه، ساعت‌های هوشمند و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند.

یک آشکارساز نوری حسگری است که می‌تواند نور یا سایر انرژی‌های الکترومغناطیسی را اندازه‌گیری کند، فوتون‌ها را به جریان الکتریکی تبدیل کند و فوتون‌های جذب‌شده جفت الکترون-حفره تشکیل دهند. آشکارساز نوری شامل دیود نوری و ترانزیستور نوری و غیره است. بازده کوانتومی برای تعریف درصد فوتون‌های دریافتی توسط دستگاهی مانند آشکارساز نوری به یک جفت الکترون-حفره استفاده می‌شود، یعنی بازده کوانتومی برابر است با تعداد الکترون‌های تولید شده توسط نور تقسیم بر تعداد فوتون‌های تابشی.

وقتی یک فوتون فرودی، الکترونی را به مدار خارجی تولید می‌کند، بازده کوانتومی خارجی دستگاه ۱۰۰٪ است (که قبلاً تصور می‌شد حد نظری است). در آخرین مطالعه، آشکارساز نوری سیلیکون سیاه تا ۱۳۰ درصد بازده داشت، به این معنی که یک فوتون فرودی حدود ۱.۳ الکترون تولید می‌کند.

به گفته محققان دانشگاه آلتو، سلاح مخفی پشت این پیشرفت بزرگ، فرآیند تکثیر حامل‌های بار است که در نانوساختار منحصر به فرد آشکارساز نوری سیلیکون سیاه رخ می‌دهد و توسط فوتون‌های پرانرژی فعال می‌شود. پیش از این، دانشمندان نتوانسته بودند این پدیده را در دستگاه‌های واقعی مشاهده کنند زیرا وجود تلفات الکتریکی و نوری، تعداد الکترون‌های جمع‌آوری‌شده را کاهش می‌داد. پروفسور هرا سورن، سرپرست این مطالعه، توضیح داد: «دستگاه‌های نانوساختار ما هیچ بازترکیبی و تلفات بازتابی ندارند، بنابراین می‌توانیم تمام حامل‌های بار تکثیرشده را جمع‌آوری کنیم.»

این کارایی توسط موسسه فناوری فیزیکی انجمن ملی مترولوژی آلمان (PTB)، دقیق‌ترین و قابل اعتمادترین سرویس اندازه‌گیری در اروپا، تأیید شده است.

محققان خاطرنشان می‌کنند که این رکورد بهره‌وری به این معنی است که دانشمندان می‌توانند عملکرد دستگاه‌های تشخیص فوتوالکتریک را تا حد زیادی بهبود بخشند.

دکتر میکو جونتونا، مدیرعامل شرکت ElfysInc، متعلق به دانشگاه آلتو، گفت: «آشکارسازهای ما توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، به خصوص در حوزه‌های بیوتکنولوژی و نظارت بر فرآیندهای صنعتی.» گزارش شده است که آنها تولید چنین آشکارسازهایی را برای استفاده تجاری آغاز کرده‌اند.