Uz pomoć neobičnosti kvantne fizike znanstvenici su postigli naizgled nemoguće i proizveli senzor koji pretvara svjetlost u električni signal uz nevjerojatnu učinkovitost od 200 posto.
Znanstveni tim odgovoran za inovaciju te fotodiode kaže da bi se njihov novi uređaj potencijalno mogao koristiti u tehnologiji koja prati vitalne znakove osobe (uključujući otkucaje srca ili brzinu disanja), bez potrebe za umetanjem ili čak pričvršćivanjem bilo čega na tijelo.
Kvantna učinkovitost
Učinkovitost fotodiode obično se mjeri kao broj dostupnih svjetlosnih čestica koje ona može pretvoriti u električne signale. Kad je riječ o ovoj novoj inovaciji, znanstvenici govore o nečemu blisko povezanom, ali malo specifičnijem, a to je fotoelektronski prinos ili broj elektrona generiranih fotonima koji pogađaju senzor. Njihovo istraživanje vezano za novu fotodiodu objavljeno je u časopisu Science Advances.
Prinos fotoelektrona fotodiode određen je njezinom kvantnom učinkovitošću, odnosno bitnom sposobnošću materijala da proizvodi čestice koje nose naboj na osnovnoj razini, a ne količinom proizvedene električne energije.
To zvuči nevjerojatno, ali ovdje ne govorimo o normalnoj energetskoj učinkovitosti. U svijetu fotodioda računa se kvantna učinkovitost. Umjesto ukupne količine sunčeve energije, broji se broj fotona koje dioda pretvara u elektrone, objašnjava kemijski inženjer Rene Janssen s Tehnološkog sveučilišta Eindhoven u Nizozemskoj.
Ključ u zelenom svjetlu i načinu na koji fotodiode proizvode struju
Nizozemski znanstvenici za početak su radili na uređaju koji je kombinirao dvije vrste solarnih ćelija, perovskitne i organske. Slažući stanice tako da svjetlo koje propusti jedan sloj pokupi drugi, postigli su 70 posto kvantne učinkovitosti. Kako bi povećali učinkovitost, uvedeno je dodatno, zeleno svjetlo. Senzor uređaja je također optimiziran kako bi se poboljšala njegova sposobnost filtriranja različitih vrsta svjetla i reagiranja na nikakvo svjetlo. Sve to je gurnulo kvantnu učinkovitost fotodiode preko 200 posto, iako u trenutačnoj fazi istraživanja nije jasno zašto se to povećanje događa.
Ključ bi mogao biti u načinu na koji fotodiode proizvode struju. Fotoni pobuđuju elektrone u materijalu fotodiode, uzrokujući njihovu migraciju i nakupljanje naboja. Znanstvenici pretpostavljaju da bi zeleno svjetlo moglo osloboditi elektrone na jednom sloju, koji se pretvaraju u struju tek kada fotoni udare u drugi sloj.
Mislimo da dodatno zeleno svjetlo dovodi do nakupljanja elektrona u sloju perovskita. Ovo djeluje kao spremnik naboja koji se oslobađa kada se infracrveni fotoni apsorbiraju u organskom sloju. Drugim riječima, svaki infracrveni foton koji prođe i pretvori se u elektron dobiva društvo od dodatnog elektrona, što dovodi do učinkovitosti od 200 posto ili više, objašnjava Riccardo Ollearo, kemijski inženjer sa Tehnološkog sveučilišta u Eindhovenu.
Moguće primjene
Učinkovitija fotodioda također je i osjetljivija fotodioda, odnosno ona koja može bolje promatrati vrlo male promjene svjetla s veće udaljenosti. Ta nas značajka vraća na ranije spomenuto mjerenje otkucaja srca i razine disanja.
Koristeći svoju supertanku fotodiodu (stotinu puta tanja od lista novina), znanstvenici su izmjerili male promjene u infracrvenom svjetlu koje se odbija od prsta s udaljenosti od 130 centimetara. Pokazalo se da to odgovara krvnom tlaku i otkucajima srca, slično kao što to radi senzor pametnog sata, ali s razlikom da to sad radi uređaj koji je bitno udaljen od tijela. Sa sličnim postavkama tim je mjerio i stope disanja iz blagih pokreta prsa. Dakle, postoji potencijal za sve vrste praćenja i medicinske svrhe, ako se tehnologija može uspješno razviti iz laboratorijske faze.
Želimo vidjeti možemo li dodatno poboljšati uređaj, na primjer tako da ga učinimo bržim. Također želimo istražiti možemo li klinički testirati uređaj, kaže Janssen.
Izvor: Science Alert
