Niederländisches Team entwickelt 200-prozentig effiziente Fotodiode

Kürzlich hat eine Gruppe von Forschern der Technischen Universität Eindhoven („TU/e“) und des Holst Centers, einer Tochtergesellschaft von TNO in den Niederlanden, eine Fotodiode mit rekordverdächtiger Empfindlichkeit und einer Photoelektronen-Ausgaberate von mehr als 200 Prozent entwickelt mit grünem Licht und einem doppelschichtigen Batteriedesign. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
In den letzten Jahren haben Solarmodule mit mehreren gestapelten Zellen häufig Rekorde in Bezug auf Leistung und Umwandlungseffizienz aufgestellt. Riccardo Ollearo, Doktorand an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden, weist darauf hin, dass sich die oben erwähnte 200-prozentige Photoelektronenleistung nicht auf eine normale Energieeffizienz bezieht. In der Welt der Fotodioden kommt es auf die Quanteneffizienz an. Anstatt die Gesamtmenge der Sonnenenergie zu zählen, zählt es die Anzahl der Photonen, die die Diode in Elektronen umwandelt.
Damit eine Fotodiode ordnungsgemäß funktioniert, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Erstens muss sie die Strommenge, die bei Abwesenheit von Licht erzeugt wird, den sogenannten Dunkelstrom, minimieren – und je kleiner der Dunkelstrom, desto empfindlicher ist die Diode. Zweitens sollte es in der Lage sein, den Pegel des Hintergrundrauschens vom zugehörigen Infrarotlicht zu unterscheiden. Leider passieren diese beiden Dinge normalerweise nicht gleichzeitig.
Das Holst Center ist ein Forschungsinstitut, das sich auf drahtlose und gedruckte Sensortechnologien spezialisiert hat. In der oben genannten Zusammenarbeit arbeitete Riccardo Ollearo mit dem Fotodetektorteam des Holst Centers zusammen, um eine Tandemdiode zu konstruieren.
Dieses Tandemdiodengerät kombiniert Chalkogenid- und organische Photovoltaikzellen, um die Leistung der Solarzelle zu optimieren, die einen Wirkungsgrad von 70 Prozent erreicht. Später nutzten sie grünes Licht als Hilfsmittel und steigerten schließlich die Effizienz von Nahinfrarotlicht auf über 200 Prozent.
Die Forscher analysierten, dass dies vor allem daran liegt, dass das zusätzliche grüne Licht zu einer Ansammlung von Elektronen in der Chalkogenidschicht führt. Dies fungiert als Ladungsreservoir, das freigesetzt wird, wenn ein Infrarotphoton von der organischen Schicht absorbiert wird. Mit anderen Worten: Für jedes Infrarotphoton, das die organische Schicht durchdringt und in ein Elektron umgewandelt wird, erhält es ein begleitendes zusätzliches Elektron, was zu einer Effizienz führt von 200 Prozent oder mehr.
Das Team testete das oben genannte Tandem-Fotodiodengerät und zeigte, dass es für flexible Geräte im Labor geeignet ist und in der Lage ist, subtile Signale wie das menschliche Herz oder die Atemfrequenz in Umgebungen mit realistischem Hintergrundlicht zu erfassen. Die Forscher platzierten das Gerät 130 Zentimeter von ihrem Finger entfernt und konnten tatsächlich kleine Veränderungen in der Menge des zur Diode zurückreflektierten Infrarotlichts feststellen.
Die Forscher wollen sehen, ob das Gerät noch weiter verbessert werden kann und prüfen, ob das Gerät klinisch getestet werden kann, beispielsweise indem es schneller gemacht wird. Es ist auch bekannt, dass das von der TU/e-Forscherin Sveta Zinger geleitete Projekt „FORSEE“ mit dem Catharina-Krankenhaus in Eindhoven zusammenarbeitet, um eine intelligente Kamera zu entwickeln, die die Herz- und Atemfrequenz eines Patienten beobachten kann.