这款“哈利波特”光传感器实现了 200% 的神奇高效率

实验环境中使用的光电二极管的详细信息

利用绿光和双层电池，博士研究员Riccardo Ollearo提出了一种光电二极管，其灵敏度是许多人梦寐以求的。

带有多个堆叠电池的太阳能电池板目前正在打破记录。值得注意的是，来自埃因霍温理工大学和霍尔斯特中心TNO的一组研究人员现在已经成功地基于类似的技术制造出了光电二极管——光电子收率超过200%。你可能会认为，只有使用炼金术和其他哈利波特式的魔法，才能实现超过100%的效率。但这是可以做到的。答案就在量子效率和堆叠太阳能电池的神奇世界里。

René Janssen是埃因霍温理工大学的教授，也是一篇新的科学进展论文的合著者，他解释道。“我知道，这听起来不可思议。但是，我们在这里讨论的不是正常的能源效率。在光电二极管的世界里，最重要的是量子效率。它计算的不是太阳能的总量，而是二极管转换成电子的光子的数量。

暗电流

光电二极管是光敏半导体器件，当它们从光源吸收光子时会产生电流。它们在各种应用中用作传感器，包括医疗用途、可穿戴监控、光通信、监控系统和机器视觉。在所有这些领域中，高灵敏度是关键。

要使光电二极管正常工作，它必须满足两个条件。首先，它应该最小化在没有光的情况下产生的电流，即所谓的暗电流。暗电流越少，二极管越灵敏。其次，它应该能够区分背景光（“噪声”）与相关红外光的水平。不幸的是，这两件事通常不会同时进行。

在左图中，我们看到了新的串联光电二极管可用于监测人的心脏和呼吸频率的设置。右图显示了光电二极管在130厘米的距离处记录的检测到的心脏和呼吸信号

串联

四年前，里卡多·奥莱里奥(Riccardo Ollearo)开始着手解决这个难题，他是杨森的博士生之一，也是这篇论文的主要作者。在他的研究中，他与霍尔斯特中心的光电探测器团队合作，霍尔斯特中心是一家专门研究无线和印刷传感器技术的研究所，Ollearo建造了一个所谓的串联二极管，一种结合了钙钛矿和有机PV电池的设备。

结合这两层——一种技术也越来越多地应用于最先进的太阳能电池——他能够优化这两种条件，达到70%的效率。

“令人印象深刻，但还不够，”这位来自意大利的雄心勃勃的年轻研究人员说。“我决定看看是否可以在绿光的帮助下进一步提高效率。我从早期的研究中了解到，用额外的光照亮太阳能电池可以改变它们的量子效率，在某些情况下还可以提高它。令我惊讶的是，这在提高光电二极管灵敏度方面比预期的还要好。我们能够将近红外光的效率提高到200%以上。”

到目前为止，研究人员仍然不知道这是如何工作的，尽管他们已经提出了一种理论来解释这种效应。

“我们认为额外的绿光会导致钙钛矿层中电子的积聚。这就像一个电荷库，当红外光子被有机层吸收时就会释放出来，”Ollearo说。“换句话说，每一个通过并转化为电子的红外光子，都会得到一个额外的电子的陪伴，从而使效率达到200%或更高。

将光电二极管设备放在距离手指130厘米处，研究人员Riccardo Ollearo能够检测到反射回二极管的红外光量的微小变化

对二极管进行测试

研究人员在实验室中测试了光电二极管，其厚度是新闻纸的一百倍，适用于柔性设备。“我们想看看该设备是否可以在具有逼真背景光的环境中接收细微的信号，例如人的心脏或呼吸频率。

将设备握在距离手指130厘米处，研究人员能够检测到反射回二极管的红外光量的微小变化。事实证明，这些变化是一个人静脉血压变化的正确指示，而血压又表明心率。当将设备对准人的胸部时，他们能够测量胸部轻微运动的呼吸频率。