Selon le réseau d'organisations de physiciens, des chercheurs finlandais ont récemment rapporté qu'ils ont développé un photodétecteur en silicium noir avec une efficacité quantique externe de 130 %, ce qui est la première fois que l'efficacité des dispositifs photovoltaïques dépasse la limite théorique de 100 %, ce qui devrait améliorer considérablement l'efficacité des dispositifs de détection photoélectrique, et ces dispositifs sont largement utilisés dans les voitures, les téléphones portables, les montres intelligentes et les équipements médicaux.
Un photodétecteur est un capteur capable de mesurer la lumière ou toute autre énergie électromagnétique, de convertir les photons en courant électrique, et les photons absorbés forment des paires électron-trou. Le photodétecteur comprend une photodiode, un phototransistor, etc. Le rendement quantique définit le pourcentage de photons reçus par un dispositif tel qu'un photodétecteur et formant une paire électron-trou. Autrement dit, le rendement quantique est égal au nombre d'électrons photogénérés divisé par le nombre de photons incidents.
Lorsqu'un photon incident produit un électron vers un circuit externe, le rendement quantique externe du dispositif est de 100 % (ce qui était jusqu'alors considéré comme la limite théorique). Dans la dernière étude, le photodétecteur au silicium noir a atteint un rendement de 130 %, ce qui signifie qu'un photon incident produit environ 1,3 électron.
Selon les chercheurs de l'Université Aalto, l'arme secrète derrière cette avancée majeure réside dans le processus de multiplication des porteurs de charge qui se produit au sein de la nanostructure unique du photodétecteur en silicium noir, déclenché par des photons de haute énergie. Jusqu'à présent, les scientifiques n'avaient pas pu observer ce phénomène dans des dispositifs réels, car la présence de pertes électriques et optiques réduisait le nombre d'électrons collectés. « Nos dispositifs nanostructurés ne présentent ni recombinaison ni perte par réflexion, ce qui nous permet de collecter tous les porteurs de charge multipliés », explique la professeure Hera Severn, responsable de l'étude.
Cette efficacité a été vérifiée par l'Institut de technologie physique de la Société nationale allemande de métrologie (PTB), le service de mesure le plus précis et le plus fiable d'Europe.
Les chercheurs soulignent que cette efficacité record signifie que les scientifiques peuvent grandement améliorer les performances des dispositifs de détection photoélectrique.
« Nos détecteurs ont suscité un vif intérêt, notamment dans les domaines de la biotechnologie et de la surveillance des procédés industriels », a déclaré le Dr Mikko Juntuna, PDG d'ElfysInc, une entreprise appartenant à l'Université Aalto. L'entreprise aurait commencé à fabriquer de tels détecteurs à des fins commerciales.
Date de publication : 11 juillet 2023