Lichtsensor met rendement van ruim 200%

Met groen licht en een dubbelgelaagde cel heeft de Nederlandse TU Eindhoven een fotodiode ontwikkeld met extreme performantie op basis quantumrendement en gestapelde zonnecellen.

Trefwoorden: #licht, #quantum, #sensor, #zonnecel

Lees verder

research

( Foto: TU/e - Bart van Overbeeke )

ENGINEERINGNET.BE - "Wat telt in de wereld van fotodiodes is quantumefficiëntie," aldus hoogleraar René Janssen van TU Eindhoven. In plaats van de totale hoeveelheid zonne-energie telt het aantal fotonen dat de diode omzet in elektronen. Hoe beter de diode in staat is zwakke lichtsignalen te detecteren, hoe hoger het rendement."

Fotodiodes zijn lichtgevoelige halfgeleiderelementen die een stroom produceren als ze fotonen van een lichtbron absorberen. Ze worden gebruikt als sensoren in allerlei toepassingen, zoals medische wearables, lichtcommunicatie, bewakingssystemen en beeldherkenning.

Wil een fotodiode goed werken, dan moet de stroom die ontstaat bij afwezigheid van licht, de zogenaamde donkerstroom, worden geminimaliseerd. Hoe minder donkerstroom, hoe gevoeliger de diode. Ook moet de diode het niveau van het achtergrondlicht kunnen onderscheiden van het relevante infrarode licht. Vaak gaan deze twee dingen niet samen.

Promovendus Riccardo Ollearo bouwde daarom een zogenaamde tandemdiode, een apparaat met perovskiet- en organische PV-cellen, in samenwerking met het fotodetectorteam van het Holst Centre. Hij kon zo beide omstandigheden optimaliseren en zo 70% efficiëntie bereiken.

"Uit eerder onderzoek wist ik dat verlichten van zonnecellen met extra licht hun quantumefficiëntie kan veranderen, en soms zelfs verbeteren. We konden zo het rendement voor nabij-infrarood licht verhogen tot ruim 200%."

"We denken dat het extra groene licht leidt tot een opeenhoping van elektronen in de perovskietlaag. Dit werkt als een reservoir van ladingen die vrijkomen wanneer infrarode fotonen worden geabsorbeerd in de organische laag," zegt Ollearo.

Ollearo testte de fotodiode, die 100 keer dunner is dan een vel krantenpapier, in het lab. Door het apparaat op 130 centimeter van een vinger te houden, konden de onderzoekers minieme veranderingen waarnemen in de hoeveelheid infrarood licht die in de diode werd teruggekaatst.

Deze veranderingen blijken een correcte indicatie te zijn van veranderingen in de bloeddruk in de aderen van een persoon, die op hun beurt de hartslag aangeven.

"We willen kijken of we het apparaat kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door het sneller te maken," zegt Janssen. "Ook willen we het apparaat klinisch testen, bijvoorbeeld in samenwerking met het FORSEE-project." Dit project van TU Eindhoven en het Catharina Ziekenhuis in Eindhoven ontwikkelt een slimme camera die de hart- en ademhalingssnelheid van een patiënt kan observeren.