En sensor för svart ljus som utvecklats vid Aalto nådde för första gången i världen en verkningsgrad över 100 %

UV-ljussensorn som utvecklats av forskare vid Aalto-universitetet och baserar sig på svart kisel har nått en verkningsgrad över 130 %. Samtidigt överskred den för första gången i världen gränsen 100 %, vilket hittills har ansetts som teoretiskt maximum för extern kvantverkningsgrad.

”Resultatet var så extremt att vi först själva tvivlade på det. Vi beslöt därför genast att det måste verifieras genom oberoende mätningar", säger professor Hele Savin som leder forskarteamet i elektronfysik.

Mätningarna utfördes av Tysklands nationella metrologiinstitut, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB. Institutet utför de noggrannaste och mest tillförlitliga mätningarna i Europa och svarar bland annat för metersystemets likare och dess övervakning.

“När jag såg mätresultaten insåg jag genast att det var ett genombrott – och samtidigt ett välkommet framsteg för oss metrologer som drömmer om känsliga sensorer", säger Lutz Werner, chef för PTB:s strålningsdetektorlaboratorium.

Hemligheten med rekordet: unik nanostruktur

Vid en extern kvantverkningsgrad av 100 % tas en elektron tillvara för varje foton. En verkningsgrad på 130 % betyder att varje foton ger i medeltal 1,3 elektroner till den yttre strömkretsen.

Forskarna visade att hemligheten med en hög extern kvantverkningsgrad är den mångdubbling av elektroner som orsakas av så kallade högenergetiska fotoner, och den försiggår inuti nanostrukturer av svart kisel. Fenomenet har inte tidigare observerats experimentellt eftersom det vanligen döljs under olika optiska och elektriska förlustmekanismer.

”Tack vare den förlustfria nanostruktur vi använde behöver signalen inte förstärkas, utan alla multiplicerade elektroner kunde framgångsrikt tillvaratas utan något separat yttre elfält", förklarar Savin.

I praktiken innebär rekordverkningsgraden rekordkänsliga sensorer som avsevärt förbättrar prestanda hos varje apparat som utnyttjar mätning av ljus. Ljusmätning används redan nu i stor skala i exempelvis bilar, mobiltelefoner, smartklockor och inom medicinsk teknik.

”Det finns en stor efterfrågan på känsliga UV-ljusmätare till exempel för biotekniska tillämpningar och övervakning av industriella processer" berättar TkD Mikko Juntunen, verkställande direktör i Elfys Oy som avknoppats från Aalto-universitetet och kommersialiserar rekordsensorerna.

Forskningsrönen som lett till rekordverkningsgraden har nyss godkänts för publicering i den ansedda vetenskapstidskriften Physical Review Letters under rubriken Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%.

Information:

Professor Hele Savin, Aalto-universitetet
tfn 050 541 0156
[email protected]

Verkställande direktör, TkD Mikko Juntunen, ElFys Oy
tfn 040 860 9663
[email protected]