Detektor záření z černého křemíku prolomil hranici 100% účinnosti  
Nový detektor záření prorazil teoretický limit účinnosti detekce záření, který byl považovaný za pevně daný. Díky procesům v nanostruktuře černého křemíku jeden foton dopadajícího záření generuje v průměru 1,3 elektronů. To odpovídá účinnosti 130 procent.
Extrémní produkce elektronů na novém detektoru. Kredit: Wisa Förbom.
Extrémní produkce elektronů na novém detektoru. Kredit: Wisa Förbom.

Ve vědě se někdy stává, že vědci nevěří vlastním očím. Podle všeho to byl případ i týmu finské Aalto University, který vyvinul pozoruhodný detektor záření (photodetector) z černého křemíku (black silicon). Černý křemík je polovodičový materiál vytvořený povrchovou úpravou křemíku, který velmi málo odráží světelné záření. Intenzivně absorbuje viditelné i infračervené záření, takže je na pohled velmi černý.

 

Hele Savin. Kredit: Aalto University.
Hele Savin. Kredit: Aalto University.

Tento detektor přitom dosahuje účinnosti detekce záření kolem 130 procent. Je to poprvé v historii, kdy fotovoltaické zařízení prorazilo limit 100% účinnosti, považovaný do této doby za teoretické maximum. Jak přiznává vedoucí výzkumu Hele Savin, když s kolegy uviděli výsledky, tak jen stěží věřili vlastním očím. Raději se rozhodli výzkum ověřit nezávislým měřením. To pro ně zajistil německý institut German National Metrology Institute, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), o němž je známo, že poskytuje nejpřesnější a nejvíce věrohodné výsledky měření v Evropě.

Netradiční logo Aalto University.
Netradiční logo Aalto University.

 

V institutu PTB ale měření účinnosti nového detektoru záření dopadlo stejně jako ve Finsku. Lutz Werner, šéf laboratoře Laboratory of Detector Radiometry, která příslušná kontrolní měření prováděla, se netají tím, že výsledky okamžitě považoval za velkou věc. Podle něj jde o významný průlom, který by mohl přinést citlivější přístroje i pro ně samotné, tedy pro odborníky na měření.

 

Černý křemík v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Kredit: Materialscientist / Wikimedia Commons.
Černý křemík v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Kredit: Materialscientist / Wikimedia Commons.

Jak může být účinnost detektoru záření (external quantum efficiency) větší než sto procent? V tomto případě 100% účinnost odpovídá situaci, kdy jeden dopadající foton generuje jeden elektron. 130% účinnost tedy vlastně znamená, že jeden foton vygeneruje pro vnější obvod v průměru 1,3 elektronu.

 

Badatelé zjistili, že neobyčejná schopnost nového detektoru vyplývá z procesů, které se odehrávají po dopadu fotonů krátkovlnného UV záření na křemíkové nanostruktury. Extrémní účinnost jejich zařízení naznačuje, že bude možné zvýšit citlivost některých zařízení, které využívají detekci světla. Jde například o automobily, chytré telefony či hodinky anebo medicínská zařízení.

 

Již teď si výzkum týmu Savinové získal velkou pozornost, hlavně v biotechnologiích a technologiích řízení průmyslových procesů. Pracuje na tom spin-off Elfys Inc., který funguje při Aalto University. Jak uvádí jeho šéf Mikko Juntunen, vlastně již vyrábějí komerční detektory založené na tomto výzkumu.

 

Video: Hele Savin and black solar cells

 

Literatura

Aalto University 13. 8. 2020.

Physical Review Letters (accepted)

Datum: 16.08.2020
Tisk článku

Život na hraně - Al-Khalili Jim, McFadden Johnjoe
 
 
cena původní: 449 Kč
cena: 359 Kč
Život na hraně
Al-Khalili Jim, McFadden Johnjoe
Související články:

Rekordní koherence v křemíkové nanoelektronice     Autor: Stanislav Mihulka (14.10.2014)
Ultratenká stealth folie dokáže skrýt i falšovat tepelnou stopu     Autor: Stanislav Mihulka (02.07.2018)
Překvapivý průlom: Vědci vytvořili kvantové stavy v běžné elektronice     Autor: Stanislav Mihulka (22.12.2019)



Diskuze:

PTB správně

Martin Šíra,2020-08-17 11:37:17

"To pro ně zajistil německý institut German National Metrology Institute, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), o němž je známo, že poskytuje nejpřesnější a nejvíce věrohodné výsledky měření v Evropě."

Neee, PTB se nikdy nikde neprezentuje jako "German National Metrology Institute". Správně by ta věta měla být:
"Raději se rozhodli výzkum ověřit nezávislým měřením. To pro ně zajistil německý národní metrologický institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), ..."

A jen tak mimochodem, v měření malých proudů jsou možná v Evropě nejlepší, přece jen vedli vývoj zesilovače ULCA (Ultra Low-Noise Current Amplifier), ale v mnoha jiných oblastech elektrických měření zaostávají nebo je vůbec nedělají. A NPL či MIKES s těmi proudy za PTB nezaostávají.

Odpovědět


Re: PTB správně

Martin Šíra,2020-08-17 11:45:16

Mimochodem v tom jak se instituty nazývají a prezentují lze sledovat syndrom malého národa.
Zatímco PTB je všude hezky něměcky Physikalisch-Technische Bundesanstalt, francouzské LNE je taky všude Laboratoire national de métrologie et d'essais, tak Český Metrologický Institut má v zakládací listině českou i anglickou variantu názvu a rakušáci mají na hlavních stránkách taky dvě varianty (Federal Office of Metrology and Surveying (BEV) Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen).
Švýcaři se s tím samozřejmě nepárají a mají 4 oficiální názvy svého METASu, francouzsky, italsky, německy, anglicky.

Odpovědět

To není nic zvláštního

Milan Vanecek,2020-08-17 11:03:22

Již ve své diplomové práci před 53 lety jsem měřil, že když energie notnou přesáhne zhruba 2,5 násobek šířky zakázaného pásu generuje další pár elektron-díra. Takže modré a uv dotovaný generují více elektronů a děr.

Odpovědět


Re: To není nic zvláštního

Milan Vanecek,2020-08-17 11:04:40

0pravte si ty debilni chyby automatických oprav

Odpovědět


Re: Re: To není nic zvláštního

Milan Vanecek,2020-08-17 11:05:36

Vždy místo notnou je tam nesmyslné slovo

Odpovědět


Re: Re: Re: To není nic zvláštního

Milan Vanecek,2020-08-17 11:06:13

Místo fotonu

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: To není nic zvláštního

Zuzana Veleková,2020-08-17 20:24:46

pane Vaneceku, chápu, že před 50 lety Vás neučili, jak si vypnout automatické opravy na svém PC, nebo mobilu, ale to není záležitost serveru, ta chyba je někde u Vás mezi židlí a klávesnicí.

Odpovědět

fotky???

Milan Vnouček,2020-08-17 07:38:22

Mne by spíše zajímaly ty fotky z elektronového mikroskopu.
Už se na ně někdo kouknul ?? Obzvláště na ty dolní údaje. Super novinka stará 11 let mne opravdu pobavila :-) Mimochodem to co na té fotce je vidět je efekt odprašování povrchu těžkými ionty. Tato struktura by opravdu mohla mít brutální schopnost pohlcovat záření, a ten zisk 0,3 elektronu by mohl být příspěvek nějaké fononové magie :-) což se v populárním článku nepíše:-(
Milanius

Odpovědět

A co APDs?

Zdenek Svindrych,2020-08-17 07:35:24

"Je to poprvé v historii, kdy fotovoltaické zařízení prorazilo limit 100% účinnosti, považovaný do této doby za teoretické maximum." Ne, ne. I v onom vědeckém článku samotném se píše o unikátu mezi "zero bias detectors". Lavinové fotodiody jsou tu s námi desítky let a mají EQE 100000%. To by byl teprve titulek :-)/

Odpovědět


Re: A co APDs?

Jan Novák9,2020-08-17 08:46:33

Lavinový efekt generuje spoustu šumu, čím míň je nutný tím líp.

Odpovědět


Re: A co APDs?

Pavel Hudecek,2020-08-17 14:30:39

Přesně tohle mě napadlo taky. Prostě udělali ne moc dobrý fotonásobič:-)

Zajímavá otázka je, kolik je skutečná kvantová účinnost a kolik zesílení. Aneb např. 1,3 = 2*0,65 tedy kvantová účinnost 65 % a multiplikátor 2.

Chce to otestovat na kvalitním jednofotonovém zdroji, pak by bylo jasno.

Odpovědět

1 foton vygeneruje 1,3 FOTONU???

Jan Novák9,2020-08-16 19:38:34

"130% účinnost tedy vlastně znamená, že jeden foton vygeneruje pro vnější obvod v průměru 1,3 fotonu."

Jinak pro ty kdo si myslí že je to fotovoltaický článek - ne, je to detektor, tj. energii nevyrábí ale používá světlo ke spínání obvodu. Tj. účinnost není výroba ale citlivost. Jde o fotodiodu.

Odpovědět


Re: 1 foton vygeneruje 1,3 FOTONU???

Zdenek Svindrych,2020-08-17 07:26:08

Článek (originál) jsem ještě nečetl, ale větší smysl by dávalo, kdyby "...jeden foton vygeneruje pro vnější obvod v průměru 1,3 ELEKTRONU."

Odpovědět


Re: Re: 1 foton vygeneruje 1,3 FOTONU???

Jan Novák9,2020-08-17 08:42:11

Šlo o překlep v překladu, už byl opraven.
(Aby to nepletlo další lidi)

Odpovědět


Re: 1 foton vygeneruje 1,3 FOTONU???

Otakar Ištvánfy,2020-08-17 17:28:52

To záleží na režime. Napr. starodávne expozimetre používali fotodiódu, ktorá priamo napájala galvanometer. Pochopiteľne režim v 3.kvadrante je výhodnejší aj čo do citlivosti aj rýchlosti odozvy.

Odpovědět

Clickbait

Bohumil S.,2020-08-16 19:33:14

V nadpise píšete "účinnost detektoru", ale v článku potom píšete o "kvantové účinnosti".

Účinnost detektoru znamená, kolik procent částic (fotonů) zvládne detektor detekovat. Pokud zvládne detekovat každou dopadající částici, pak bude mít účinnost 100%. Pokud by měl nějaký detektor účinnost 130%, znamenalo by to, že 30% částic, které detektor detekuje, na něj ve skutečnosti nikdy nedopadlo, což je evidentně dost nesmyslná úvaha. Respektive by se jednalo o šum, ale o ten nikdo při detekci čehokoliv nestojí.

V článku potom píšete o kvantové účinnosti, což je ale něco úplně jiného, než co zmiňujete v nadpisu. Z toho důvodu považuji nadpis za typický clickbait.

Odpovědět


Re: Clickbait

Pavel A1,2020-08-17 18:52:48

Přesně. Podle této logiky by sto let starý fotonásobič měl účinnost několik miliard procent - kam se na to hrabe nějaký křemík.

Odpovědět

Kapky

Josef Sysel,2020-08-16 18:59:07

Bohužel ty fotony průchodem tak obrovským prostorem ztrácení pohybovou energii a ve výsledku se jejich energie rovná energii při standardní absorpci.
Normální kapky ze Stalkera. :))

Odpovědět

účinnost

Florian Stanislav,2020-08-16 17:47:12

Předpokládám, že účinnost [%] = (výkon/příkon)*100

Odpovědět


Re: účinnost

Florian Stanislav,2020-08-16 17:49:15

Předpokládám, že účinnost [%] = (výkon/příkon)*100

Odpovědět


Re: účinnost

Florian Stanislav,2020-08-16 17:51:57

Nějak se mi to 2x seklo, omlouvám se.
Předpokládám, že účinnost [%] = (výkon/příkon)*100

Odpovědět

Ale...

Petr Petr,2020-08-16 17:41:57

Podle článku
https://arxiv.org/abs/1907.13397
jde o účinnost ve spektru pod 250 nm. Přičemž propustnost atmosféry pod 300 nm je mizivá a je tam tak zanedbatelný výkon slunečního záření. Samozřejmě v daleké UV oblasti lze čekat větší nelinearity, ale také menší praktičnost. Ve viditelné oblasti se jim to patrně nepodaří.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace