Universiteit Eindhoven van Technologie heeft een fotodiode gemaakt met zo weinig ruis (<10-6mA/cm2 donkere stroom) en breed dynamisch bereik (<150dB), dat het optisch een hartslag kan detecteren op een afstand van 1.3 m.
TU Eindhoven-onderzoeker Riccardo Ollearo laat de polsslag in zijn vinger op afstand meten met een dunne-film fotodiode
Door een onverwacht fotovermenigvuldigingseffect kan het een foto-elektronenopbrengst van meer dan 200% bereiken bij 850 nm.
“Ik weet het, dit klinkt ongelooflijk”, zegt projectonderzoeker professor René Janssen, “maar we hebben het hier niet over normale energie-efficiëntie. Wat telt in de wereld van fotodiodes is kwantumefficiëntie, het aantal fotonen dat de diode omzet in elektronen.”
Dit is geen silicium fotodiode, maar een dunne-film tandemstructuur met een perovskiet fotoactieve laag die naar het invallende licht is gericht, en een mix van organische donor- en acceptorhalfgeleiders (een bulk heterojunctie) erachter.
De structuur is ontworpen om optisch zelffilterend te zijn, waarbij de voorste diode een golflengte absorbeert die korter is dan ~650 nm, waardoor alles behalve nabij-infrarood wordt geblokkeerd om de achterste smalle bandgap bulk heterojunctie te bereiken.
Om te voorkomen dat de voorste perovskietcel bijdraagt aan de fotostroom, bevindt zich tussen de twee fotogevoelige lagen een optisch-inactieve elektrisch-actieve laag (gemaakt van 'PFN-Br') die selectief elektronen blokkeert die in de perovskietfilm worden gegenereerd tijdens het passeren gaten van de smalbandige organische bulk heterojunctie - waardoor de cel alleen gevoelig is voor de langere golflengten.
Over het algemeen heeft de structuur een externe kwantumefficiëntie (EQE) met een piek van 70% bij 850 nm (volledige breedte bij halve max <100 nm).
Echter, EQE, wat het nabij-infrarood betreft, schiet omhoog naar 220% als de cel ook wordt verlicht met groen licht (60mW/cm2 bij 540nm).
Hoewel het mechanisme voor deze winst niet is bewezen, denkt het team dat het te wijten is aan groene verlichting waardoor elektronen zich verzamelen in de perovskietfilm, die vervolgens door de PFN-Br-barrière worden gestuurd wanneer nabij-infrarood-gegenereerde gaten op de organische bulkverbindingszijde verlaagt tijdelijk de energie van de barrière.
"Met andere woorden, elk infrarood foton dat doorkomt en wordt omgezet in een elektron, krijgt gezelschap van een bonuselektron, wat leidt tot een efficiëntie van 200 procent of meer," zei Ollearo (foto hierboven).
De Technische Universiteit Eindhoven werkte samen met de Nederlandse onderzoeksorganisatie TNO in het Holst Centre.
Hun bevindingen zijn gepubliceerd als 'Vitality surveillance at distance using thin-film tandem-like narrowband near-infrared 2 photodiodes with light-enhanced responsivity' in Science Advances.
Dit helder geschreven document kan gratis worden gelezen en bevat uitgebreide beschrijvingen van het apparaat en de niet-opdringerige medische experimenten.