Questo sensore di luce "Harry Potter" raggiunge la mag

Utilizzando la luce verde e una cella a doppio strato, Riccardo Ollearo dell'Università di Tecnologia di Eindhoven ha ideato un fotodiodo con una sensibilità che molti possono solo sognare.

Università della Tecnologia di Eindhoven

immagine: Dettagli del fotodiodo utilizzato in ambito sperimentale.vedere di più

Credito: TU/e ​​| Bart van Overbeeke

Utilizzando la luce verde e una cella a doppio strato, il ricercatore PhD Riccardo Ollearo ha ideato un fotodiodo con una sensibilità che molti possono solo sognare.

I pannelli solari con più celle impilate stanno attualmente battendo i record. Sorprendentemente, un team di ricercatori dell'Università di Tecnologia di Eindhoven e del TNO dell'Holst Center è riuscito a realizzare fotodiodi, basati su una tecnologia simile, con una resa fotoelettronica superiore al 200%. Penseresti che efficienze superiori al 100% siano possibili solo usando l'alchimia e altre magie simili a Harry Potter. Ma si può fare. La risposta sta nel magico mondo dell’efficienza quantistica e delle celle solari impilate. Lo spiega René Janssen, professore all'Università della Tecnologia di Eindhoven e coautore di un nuovo articolo su Science Advances. "Lo so, sembra incredibile. Ma qui non stiamo parlando della normale efficienza energetica. Ciò che conta nel mondo dei fotodiodi è l'efficienza quantica. Invece della quantità totale di energia solare, conta il numero di fotoni che il diodo si converte in elettroni. Lo paragono sempre ai giorni in cui avevamo ancora fiorini e lire. Se un turista olandese avesse ricevuto solo 100 lire per i suoi 100 fiorini durante la sua vacanza in Italia, forse si sarebbe sentito un po' a corto di soldi. Ma perché in In termini quantistici, ogni fiorino vale una lira, hanno comunque raggiunto un'efficienza del 100%. Ciò vale anche per i fotodiodi: quanto migliore è la capacità del diodo di rilevare segnali luminosi deboli, tanto maggiore è la sua efficienza."

Corrente oscura I fotodiodi sono dispositivi semiconduttori sensibili alla luce che producono una corrente quando assorbono fotoni da una sorgente luminosa. Sono utilizzati come sensori in una varietà di applicazioni, tra cui scopi medici, monitoraggio indossabile, comunicazione luminosa, sistemi di sorveglianza e visione artificiale. In tutti questi ambiti, l’elevata sensibilità è fondamentale.

Perché un fotodiodo funzioni correttamente, deve soddisfare due condizioni. Innanzitutto dovrebbe ridurre al minimo la corrente che si genera in assenza di luce, la cosiddetta corrente oscura. Minore è la corrente oscura, più sensibile è il diodo. In secondo luogo, dovrebbe essere in grado di distinguere il livello della luce di fondo (il "rumore") dalla relativa luce infrarossa. Purtroppo queste due cose solitamente non vanno d’accordo, anzi.

Tandem Quattro anni fa, Riccardo Ollearo, uno degli studenti di dottorato di Janssen e autore principale dell'articolo, ha iniziato a risolvere questo enigma. Nella sua ricerca ha unito le forze con il team di fotorilevatori che lavora presso l'Holst Centre, un istituto di ricerca specializzato in tecnologie di sensori wireless e stampati, Ollearo ha costruito un cosiddetto diodo tandem, un dispositivo che combina sia perovskite che celle fotovoltaiche organiche.

Combinando questi due strati – una tecnica sempre più utilizzata anche nelle celle solari all’avanguardia – è riuscito a ottimizzare entrambe le condizioni, raggiungendo un’efficienza del 70%.

"Impressionante, ma non abbastanza", dice l'ambizioso giovane ricercatore italiano. "Ho deciso di vedere se potevo aumentare ulteriormente l'efficienza con l'aiuto della luce verde. Sapevo da ricerche precedenti che illuminare le celle solari con luce aggiuntiva può modificare la loro efficienza quantica e in alcuni casi migliorarla. Con mia sorpresa, questo ha funzionato ancora meglio del previsto nel migliorare la sensibilità del fotodiodo. Siamo stati in grado di aumentare l'efficienza della luce nel vicino infrarosso fino a oltre il 200%!"

Mistero A questo punto, i ricercatori non sanno ancora esattamente come funzioni, anche se hanno elaborato una teoria che potrebbe spiegare l'effetto. "Pensiamo che la luce verde aggiuntiva porti ad un accumulo di elettroni nella perovskite strato organico, che agisce come un serbatoio di cariche che si libera quando i fotoni infrarossi vengono assorbiti nello strato organico", spiega Ollearo. "In altre parole, ogni fotone infrarosso che passa e viene convertito in un elettrone, riceve compagnia da un elettrone bonus, portando ad un'efficienza del 200 per cento o più. Immaginate di ricevere due lire per il vostro fiorino, invece di una. !"