Вчені створили датчик, який перетворює світло в електричний сигнал із вражаючою 200-відсотковою ефективністю – це, здавалося б, неможливе число, яке було досягнуто через дивовижність квантової фізики.
Така чутливість пристрою, відомого як фотодіод, команда, відповідальна за його інновацію, каже, що його потенційно можна використовувати в технології, яка відстежує життєво важливі показники людини (включно з серцебиттям або частотою дихання) без необхідності вставляти або навіть приєднувати до нього щось. тіло.
Ефективність фотодіода зазвичай вимірюється кількістю доступних світлових частинок, які він може перетворити на електричні сигнали. Тут вчені говорять про щось тісно пов’язане, але трохи більш конкретне: вихід фотоелектронів або кількість електронів, утворених фотонами, що потрапляють на датчик.
Фотоелектронний вихід фотодіода визначається його квантовою ефективністю – важливою здатністю матеріалу виробляти частинки, що несуть заряд, на фундаментальному рівні, а не кількістю виробленої електроенергії.
«Це звучить неймовірно, але ми не говоримо про нормальну енергоефективність», — каже інженер-хімік Рене Янссен з Технологічного університету Ейндховена в Нідерландах.
«У світі фотодіодів важлива квантова ефективність. Замість загальної кількості сонячної енергії він підраховує кількість фотонів, які діод перетворює на електрони».
В якості відправної точки команда працювала над пристроєм, який поєднував два типи сонячних панелей, перовскітових і органічних. Дослідники досягли 70-відсоткової квантової ефективності, уклавши клітини так, що світло, яке пропускає один шар, поглинається іншим.
Щоб збільшити цю цифру, було введено додаткове зелене світло. Датчик також було оптимізовано, щоб покращити його здатність фільтрувати різні типи світла та реагувати на відсутність світла взагалі. Це підштовхнуло квантову ефективність фотодіода до 200 відсотків, хоча на даному етапі неясно, чому саме відбувається це підвищення.
Ключем може бути те, як фотодіоди виробляють струм. Фотони збуджують електрони в матеріалі фотодіода, змушуючи їх мігрувати та створювати накопичення заряду. Дослідники припускають, що зелене світло може вивільняти електрони на одному шарі, які перетворюються на струм лише тоді, коли фотони потрапляють на інший шар.
«Ми вважаємо, що додаткове зелене світло призводить до накопичення електронів у шарі перовскіту», — каже інженер-хімік Ріккардо Оллеаро з Технологічного університету Ейндховена. «Це діє як резервуар зарядів, які вивільняються, коли інфрачервоні фотони поглинаються в органічному шарі».
«Іншими словами, кожен інфрачервоний фотон, який проходить і перетворюється на електрон, отримує компанію від додаткового електрона, що призводить до ефективності 200 відсотків або більше».
Ефективніший фотодіод також є більш чутливим фотодіодом – таким, який краще спостерігає дуже малі зміни світла з більшої відстані. Це повертає нас до вимірювання рівня серцебиття та дихання.
Використовуючи свій надтонкий фотодіод, який у сто разів тонший за аркуш газети, дослідники виміряли невеликі зміни інфрачервоного світла, відбитого від пальця з відстані 130 сантиметрів. Було показано, що це відповідає артеріальному тиску та частоті серцевих скорочень, як це робить датчик розумного годинника, але працює з іншого боку столу.
З подібною установкою команда вимірювала частоту дихання за легкими рухами грудної клітки. Тут є потенціал для всіляких моніторингових і медичних цілей, якщо технологію вдасться успішно розробити з лабораторної стадії.
«Ми хочемо побачити, чи зможемо ми ще більше вдосконалити пристрій, наприклад, зробивши його швидшим», — говорить Янссен. «Ми також хочемо дослідити, чи можемо ми клінічно протестувати пристрій».