Este sensor de luz de 'Harry Potter' logra mag

Usando luz verde y una celda de doble capa, Riccardo Ollearo de la Universidad Tecnológica de Eindhoven ha creado un fotodiodo que tiene una sensibilidad con la que muchos solo pueden soñar.

Universidad Tecnológica de Eindhoven

imagen: Detalles del fotodiodo utilizado en el entorno experimental.ver más

Crédito: TU/e ​​​​| Bart van Overbeeke

Usando luz verde y una celda de doble capa, el investigador de doctorado Riccardo Ollearo ha creado un fotodiodo que tiene una sensibilidad con la que muchos solo pueden soñar.

Los paneles solares con múltiples celdas apiladas actualmente están batiendo récords. Sorprendentemente, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y TNO en Holst Center ahora han logrado fabricar fotodiodos, basados ​​en una tecnología similar, con un rendimiento de fotoelectrones de más del 200 por ciento. Uno pensaría que las eficiencias de más del 100 por ciento solo son posibles usando la alquimia y otra hechicería similar a Harry Potter. Pero puede hacerse. La respuesta se encuentra en el mundo mágico de la eficiencia cuántica y las celdas solares apiladas. René Janssen, profesor de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y coautor de un nuevo artículo de Science Advances, explica. "Lo sé, suena increíble. Pero no estamos hablando de la eficiencia energética normal aquí. Lo que cuenta en el mundo de los fotodiodos es la eficiencia cuántica. En lugar de la cantidad total de energía solar, cuenta la cantidad de fotones que el diodo se convierte en electrones. Siempre lo comparo con los días en que todavía teníamos florines y liras. Si un turista de los Países Bajos recibió solo 100 liras por sus 100 florines durante sus vacaciones en Italia, podría haberse sentido un poco estafado. Pero debido a que en En términos cuánticos, cada florín cuenta como una lira, aun así lograron una eficiencia del 100 por ciento. Esto también es válido para los fotodiodos: cuanto mejor es el diodo para detectar señales de luz débiles, mayor es su eficiencia".

Corriente oscura Los fotodiodos son dispositivos semiconductores sensibles a la luz que producen una corriente cuando absorben fotones de una fuente de luz. Se utilizan como sensores en una variedad de aplicaciones, que incluyen fines médicos, monitoreo portátil, comunicación ligera, sistemas de vigilancia y visión artificial. En todos estos dominios, la alta sensibilidad es clave.

Para que un fotodiodo funcione correctamente, tiene que cumplir dos condiciones. En primer lugar, debe minimizar la corriente que se genera en ausencia de luz, la denominada corriente oscura. Cuanto menos corriente oscura, más sensible es el diodo. En segundo lugar, debería poder distinguir el nivel de luz de fondo (el 'ruido') de la luz infrarroja relevante. Desafortunadamente, estas dos cosas no suelen ir juntas, al contrario.

Tándem Hace cuatro años, Riccardo Ollearo, uno de los estudiantes de doctorado de Janssen y autor principal del artículo, se dispuso a resolver este enigma. En su investigación, unió fuerzas con el equipo de fotodetectores que trabaja en Holst Centre, un instituto de investigación especializado en tecnologías de sensores impresos e inalámbricos, Ollearo construyó el llamado diodo tándem, un dispositivo que combina perovskita y células fotovoltaicas orgánicas.

Combinando estas dos capas, una técnica que también se usa cada vez más en las células solares de última generación, pudo optimizar ambas condiciones, alcanzando una eficiencia del 70 por ciento.

"Impresionante, pero no suficiente", dice la ambiciosa joven investigadora de Italia. "Decidí ver si podía aumentar aún más la eficiencia con la ayuda de la luz verde. Sabía por investigaciones anteriores que iluminar las células solares con luz adicional puede modificar su eficiencia cuántica y, en algunos casos, mejorarla. Para mi sorpresa, esto funcionó incluso mejor de lo esperado en la mejora de la sensibilidad del fotodiodo. ¡Pudimos aumentar la eficiencia de la luz infrarroja cercana a más del 200 por ciento!"

Misterio Hasta este punto, los investigadores aún no saben exactamente cómo funciona esto, aunque han desarrollado una teoría que podría explicar el efecto". Creemos que la luz verde adicional conduce a una acumulación de electrones en la perovskita. Esta actúa como un reservorio de cargas que se liberan cuando los fotones infrarrojos son absorbidos en la capa orgánica”, dice Ollearo. "En otras palabras, cada fotón infrarrojo que pasa y se convierte en un electrón, obtiene la compañía de un electrón extra, lo que lleva a una eficiencia del 200 por ciento o más. Piense en ello como obtener dos liras por su florín, en lugar de uno". !"

Poniendo el diodo a prueba El investigador probó en el laboratorio el fotodiodo, que es cien veces más delgado que una hoja de papel periódico y adecuado para su uso en dispositivos flexibles. "Queríamos ver si el dispositivo podía captar señales sutiles, como el ritmo cardíaco o la respiración de un ser humano en un entorno con luz de fondo realista. Optamos por un escenario interior, durante un día soleado con las cortinas parcialmente cerradas. ¡Y funcionó!" Sosteniendo el dispositivo a 130 cm de un dedo, los investigadores pudieron detectar cambios mínimos en la cantidad de luz infrarroja que se reflejaba en el diodo. Estos cambios resultan ser una indicación correcta de los cambios en la presión arterial en las venas de una persona, que a su vez indican la frecuencia cardíaca. Al apuntar el dispositivo al pecho de la persona, pudieron medir la frecuencia respiratoria a partir de ligeros movimientos en el tórax (ver imagen)".

Futuro

Con la publicación del artículo en Science Advances, el trabajo de Ollearo está casi terminado. Él defenderá su investigación de tesis el 21 de abril. Entonces, ¿la investigación se detiene allí?

"No, ciertamente no. Queremos ver si podemos mejorar aún más el dispositivo, por ejemplo haciéndolo más rápido", dice Janssen. "También queremos explorar si podemos probar clínicamente el dispositivo, por ejemplo, en colaboración con el proyecto FORSEE".

El proyecto FORSEE, dirigido por la investigadora de TU/e ​​Sveta Zinger y en colaboración con el Hospital Catharina en Eindhoven, está desarrollando una cámara inteligente que puede observar la frecuencia cardíaca y respiratoria de un paciente.

¡Esperemos que los investigadores de TU/e ​​y TNO continúen demostrando que no es necesario ser un Harry Potter para lograr asombrosas hazañas científicas!

Más información

Riccardo Ollearo, René Janssen, Gerwin Gelinck et al. Vigilancia de la vitalidad a distancia utilizando 2 fotodiodos de infrarrojo cercano de banda estrecha tipo tándem de película delgada con capacidad de respuesta mejorada a la luz, Science Advances

Avances de la ciencia

10.1126/sciadv.adf9861

Estudio experimental

No aplica

Vigilancia de la vitalidad a distancia utilizando fotodiodos de infrarrojo cercano de banda estrecha tipo tándem de película delgada con capacidad de respuesta mejorada por luz

17-feb-2023

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