Ce capteur de lumière 'Harry Potter' atteint une efficacité magiquement élevée de 200%

17 février 2023

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par l'Université de technologie d'Eindhoven

En utilisant le feu vert et une cellule à double couche, Ph.D. Le chercheur Riccardo Ollearo a mis au point une photodiode qui a une sensibilité dont beaucoup ne peuvent que rêver.

Les panneaux solaires à plusieurs cellules empilées battent actuellement des records. Remarquablement, une équipe de chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven et du TNO du Holst Center est maintenant parvenue à fabriquer des photodiodes, basées sur une technologie similaire, avec un rendement de photoélectrons de plus de 200 %. On pourrait penser que des efficacités de plus de 100% ne sont possibles qu'en utilisant l'alchimie et d'autres magies de type Harry Potter. Mais cela peut être fait. La réponse réside dans le monde magique de l'efficacité quantique et des cellules solaires empilées.

René Janssen, professeur à l'Université de technologie d'Eindhoven et co-auteur d'un nouvel article Science Advances, explique. "Je sais, cela semble incroyable. Mais nous ne parlons pas ici d'efficacité énergétique normale. Ce qui compte dans le monde des photodiodes, c'est l'efficacité quantique. Au lieu de la quantité totale d'énergie solaire, il compte le nombre de photons que la diode convertit en électrons.

"Je compare toujours cela à l'époque où nous avions encore des florins et des lires. Si un touriste des Pays-Bas ne recevait que 100 lires pour ses 100 florins pendant ses vacances en Italie, il se serait peut-être senti un peu lésé. Mais parce qu'en termes quantiques, chaque florin compte pour une lire, elles ont tout de même atteint un rendement de 100 %. Cela vaut également pour les photodiodes : plus la diode est capable de détecter les signaux lumineux faibles, plus son rendement est élevé. »

Les photodiodes sont des dispositifs semi-conducteurs sensibles à la lumière qui produisent un courant lorsqu'ils absorbent les photons d'une source lumineuse. Ils sont utilisés comme capteurs dans une variété d'applications, y compris à des fins médicales, la surveillance portable, la communication lumineuse, les systèmes de surveillance et la vision artificielle. Dans tous ces domaines, une sensibilité élevée est essentielle.

Pour qu'une photodiode fonctionne correctement, elle doit remplir deux conditions. Tout d'abord, il doit minimiser le courant généré en l'absence de lumière, le soi-disant courant d'obscurité. Moins il y a de courant d'obscurité, plus la diode est sensible. Deuxièmement, il doit être capable de distinguer le niveau de lumière de fond (le "bruit") de la lumière infrarouge pertinente. Malheureusement, ces deux choses ne vont généralement pas ensemble.

Il y a quatre ans, Riccardo Ollearo, l'un des doctorants de Janssen. étudiants et auteur principal de l'article, se sont mis à résoudre cette énigme. Dans ses recherches, il s'est associé à l'équipe de photodétecteurs travaillant au Holst Center, un institut de recherche spécialisé dans les technologies de capteurs sans fil et imprimés, Ollearo a construit une soi-disant diode tandem, un dispositif qui combine à la fois la pérovskite et les cellules photovoltaïques organiques.

En combinant ces deux couches - une technique également de plus en plus utilisée dans les cellules solaires de pointe - il a pu optimiser les deux conditions, atteignant un rendement de 70 %.

"Impressionnant, mais pas assez", déclare l'ambitieux jeune chercheur italien. "J'ai décidé de voir si je pouvais encore augmenter l'efficacité à l'aide de la lumière verte. Je savais par des recherches antérieures que l'éclairage des cellules solaires avec une lumière supplémentaire pouvait modifier leur efficacité quantique et, dans certains cas, l'améliorer. À ma grande surprise, cela a fonctionné encore mieux que prévu pour améliorer la sensibilité de la photodiode. Nous avons pu augmenter l'efficacité de la lumière proche infrarouge à plus de 200 %."

Jusqu'à présent, les chercheurs ne savent toujours pas exactement comment cela fonctionne, bien qu'ils aient proposé une théorie qui pourrait expliquer l'effet.

"Nous pensons que la lumière verte supplémentaire conduit à une accumulation d'électrons dans la couche de pérovskite. Cela agit comme un réservoir de charges qui est libéré lorsque les photons infrarouges sont absorbés dans la couche organique", explique Ollearo. "En d'autres termes, chaque photon infrarouge qui passe à travers et est converti en un électron, obtient la compagnie d'un électron bonus, conduisant à une efficacité de 200% ou plus. Considérez cela comme l'obtention de deux lires pour votre florin, au lieu d'un. "

Le chercheur a testé la photodiode, cent fois plus fine qu'une feuille de papier journal et adaptée à une utilisation dans des dispositifs flexibles, en laboratoire. "Nous voulions voir si l'appareil pouvait capter des signaux subtils, comme le rythme cardiaque ou respiratoire d'un être humain dans un environnement avec une lumière de fond réaliste. Nous avons opté pour un scénario en intérieur, lors d'une journée ensoleillée avec les rideaux partiellement fermés. Et ça a marché !"

En tenant l'appareil à 130 cm d'un doigt, les chercheurs ont pu détecter des changements infimes dans la quantité de lumière infrarouge réfléchie dans la diode. Ces changements s'avèrent être une indication correcte des changements de la pression artérielle dans les veines d'une personne, qui à leur tour indiquent la fréquence cardiaque. En pointant l'appareil vers la poitrine de la personne, ils ont pu mesurer le rythme respiratoire à partir de mouvements légers dans le thorax.

Avec la publication de l'article dans Science Advances, le travail d'Ollearo est pratiquement terminé. Il soutiendra ses recherches de thèse le 21 avril. Alors, les recherches s'arrêtent-elles là ?

"Non, certainement pas. Nous voulons voir si nous pouvons encore améliorer l'appareil, par exemple en le rendant plus rapide", déclare Janssen. "Nous voulons également explorer si nous pouvons tester cliniquement le dispositif, par exemple en collaboration avec le projet FORSEE."

Le projet FORSEE, dirigé par la chercheuse TU/e ​​Sveta Zinger et en collaboration avec l'hôpital Catharina d'Eindhoven, développe une caméra intelligente capable d'observer le rythme cardiaque et respiratoire d'un patient.

Plus d'information: Riccardo Ollearo et al, Surveillance de la vitalité à distance à l'aide de photodiodes proche infrarouge à bande étroite de type tandem à couche mince avec une réactivité améliorée par la lumière, Science Advances (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adf9861. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9861