光电探测器量子效率突破理论极限

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  据物理学家组织网近日报道,芬兰研究人员开发出一种黑硅光电探测器,其外部量子效率达130%,这是光伏器件这一效率首次超过100%的理论极限,有望大大提高光电探测设备的效率,而这些设备广泛应用于汽车、手机、智能手表和医疗设备内。

  光电探测器是可以感测光或其他电磁能量的感测器,可将光子转换成电流,被吸收的光子形成电子-空穴对。光电探测器包括光电二极管和光电晶体管等。量子效率是用来定义光电探测器等设备将其受光表面接收到的光子转换为电子-空穴对的百分比,即量子效率等于光生电子除以入射光子数。

  当一个入射光子向外部电路产生一个电子时,设备的外部量子效率为100%(此前被认为是理论极限)。在最新研究中,黑硅光电探测器的效率高达130%,这意味着一个入射光子产生大约1.3个电子。

  阿尔托大学研究人员表示,这一重大突破背后的秘密武器是黑硅光电探测器独特的纳米结构内出现的电荷载流子倍增过程,该过程由高能光子触发。此前,由于电和光损耗的存在减少了所收集电子的数量,因此科学家未能在实际设备中观察到该现象。研究负责人赫拉·赛文教授解释说:“我们的纳米结构器件没有重组和反射损失,因此我们可以收集到所有倍增的电荷载流子。”

  德国国家计量学会物理技术研究所(PTB)已对这一效率予以验证,PTB是欧洲最准确、最可靠的测量服务机构。

  研究人员指出,这一创纪录的效率意味着科学家可以大大提高光电探测设备的性能。

  阿尔托大学校属公司Elfys Inc首席执行官米科·君图纳博士说:“我们的探测器引发了广泛关注,尤其是在生物技术和工业过程监控领域。”据悉,他们已开始制造这种探测器用于商业领域。

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  基于光电效应,光电探测器能把光信号转换为电信号。不过,这个研究成果显得有些突破常识。入射一个光子,怎么会产生1.3个电子呢?秘密藏在光伏材料的物理性质中。某些情况下,一个高能光子可以碰撞出两个电子。于是,在最少的电光损耗下,研究中的黑硅光电探测器收集到了所有倍增的电荷载流子,让设备效率突破了100%。那么,只要能应用上纳米结构黑硅,理论上来说,各种光电探测器的性能都能得到改善,这可是一个不小的市场。

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