この「ハリー・ポッター」光センサーは mag を達成します

アイントホーフェン工科大学のリッカルド・オレアロ氏は、緑色の光と二層セルを使用して、多くの人が夢見るしかない感度を備えたフォトダイオードを考案した。

アイントホーフェン工科大学

画像: 実験設定で使用されたフォトダイオードの詳細。もっと見る

クレジット: TU/e | バート・ファン・オーヴァーベーク

博士研究員のリッカルド・オレアロ氏は、緑色の光と二重層セルを使用して、多くの人が夢見ることしかできない感度を備えたフォトダイオードを考案しました。

複数のセルが積層されたソーラーパネルは現在、記録を更新しています。 注目すべきことに、アイントホーフェン工科大学とホルストセンターのTNOの研究者チームが、同様の技術に基づいて、光電子収率が200パーセントを超えるフォトダイオードの製造に成功した。 100パーセントを超える効率は、錬金術やその他のハリー・ポッターのような魔術を使用する場合にのみ可能であると考えるかもしれません。 しかし、それは可能です。 答えは、量子効率と積層型太陽電池の魔法の世界にあります。アイントホーフェン工科大学の教授であり、Science Advances の新しい論文の共著者であるルネ・ヤンセン氏は説明します。 「信じられない話だと思いますが、ここでは通常のエネルギー効率について話しているのではありません。フォトダイオードの世界で重要なのは量子効率です。太陽エネルギーの総量ではなく、ダイオードが照射する光子の数を数えます。私はいつもギルダーとリラがまだあった頃と比較します。オランダからの観光客がイタリアでの休暇中に 100 ギルダーに対して 100 リラしか受け取らなかったら、少し物足りなさを感じたかもしれません。 」

暗電流フォトダイオードは、光源からの光子を吸収すると電流を生成する感光性半導体デバイスです。 これらは、医療目的、ウェアラブル監視、光通信、監視システム、マシンビジョンなど、さまざまな用途でセンサーとして使用されています。 これらすべての領域において、高い感度が鍵となります。

フォトダイオードが正しく動作するには、2 つの条件を満たす必要があります。 まず、光がないときに生成される電流、いわゆる暗電流を最小限に抑える必要があります。 暗電流が少ないほど、ダイオードの感度は高くなります。 第二に、背景光 (「ノイズ」) のレベルと関連する赤外光を区別できる必要があります。 残念ながら、これら 2 つは通常、逆に両立しません。

タンデム 4 年前、ヤンセンの博士課程の学生の一人で論文の筆頭著者であるリッカルド・オレアロは、この難題の解決に着手しました。 研究の中で、Ollearo 氏は、ワイヤレスおよび印刷センサー技術を専門とする研究機関であるホルスト センターで働く光検出器チームと協力し、ペロブスカイトと有機 PV セルの両方を組み合わせたデバイス、いわゆるタンデム ダイオードを構築しました。

これら 2 つの層を組み合わせることで (最先端の太陽電池でも使用されることが増えている技術)、両方の条件を最適化し、効率 70% に達することができました。

「印象的ですが、十分ではありません」とイタリア出身の野心的な若い研究者は言います。 「緑色の光を利用して効率をさらに高めることができるかどうかを確認することにしました。以前の研究から、追加の光で太陽電池を照らすと量子効率が変化し、場合によってはそれが向上することはわかっていました。驚いたことに、これはフォトダイオードの感度向上において予想以上にうまく機能し、近赤外光の効率を 200 パーセント以上に高めることができました。」

神秘この時点では、研究者らはこれがどのように機能するのかまだ正確にはわかっていませんが、その効果を説明できる理論を考え出しました。」私たちは、追加の緑色の光がペロブスカイト内の電子の蓄積につながると考えています。これは、赤外線光子が有機層に吸収されるときに放出される電荷​​の貯蔵庫として機能します」と Ollearo 氏は言います。 「言い換えれば、通過して電子に変換されるすべての赤外線光子は、ボーナスの電子を獲得し、200 パーセント以上の効率につながります。1 ギルダーではなく 2 リラを獲得できると考えてください。 ！」

ダイオードをテストする研究者は、新聞紙の100倍の薄さでフレキシブルデバイスでの使用に適したフォトダイオードを研究室でテストした。 「私たちは、現実的な背景光のある環境で、このデバイスが人間の心拍数や呼吸数などの微妙な信号を拾えるかどうかを確認したかったのです。私たちは、晴れた日のカーテンを部分的に閉めた屋内シナリオを選択しました。そして、それはうまくいきました!」研究者らは、デバイスを指から 130 cm 離して保持し、ダイオードに反射される赤外光の量の微小な変化を検出することができました。 これらの変化は、人の静脈内の血圧の変化を正確に示しており、ひいては心拍数を示していることがわかります。 デバイスを人の胸に向けると、胸部の軽い動きから呼吸数を測定できました (画像を参照)。

未来

『Science Advances』誌に論文が掲載されたことで、オレアロ氏の研究はほぼ終了した。 彼は4月21日に論文の研究を弁護する予定だが、それでは研究はそこで終わるのだろうか？

「いいえ、決してそうではありません。たとえば、より高速にするなど、デバイスをさらに改善できるかどうかを確認したいと考えています」とヤンセン氏は言います。 「また、例えば FORSEE プロジェクトと協力して、このデバイスを臨床試験できるかどうかも検討したいと考えています。」

FORSEE プロジェクトは、TU/e 研究者のスヴェタ ジンガー氏が主導し、アイントホーフェンのカタリナ病院と協力して、患者の心拍数と呼吸数を観察できるインテリジェント カメラを開発しています。

TU/e と TNO の研究者たちが、驚くべき科学の偉業を達成するのにハリー・ポッターになる必要はないことを証明し続けることを願いましょう。

詳しくは

リッカルド・オレアロ、ルネ・ヤンセン、ガーウィン・ゲリンク 他光応答性を高めた薄膜タンデム型狭帯域近赤外 2 フォトダイオードを使用した遠隔地での活力監視、Science Advances

科学の進歩

10.1126/sciadv.adf9861

実験研究

適用できない

光応答性を高めた薄膜タンデム型の狭帯域近赤外フォトダイオードを使用した遠隔地での活力監視

2023 年 2 月 17 日

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