Selon un réseau d'organisations de physiciens, des chercheurs finlandais ont récemment mis au point un photodétecteur en silicium noir avec un rendement quantique externe de 130 %, ce qui constitue une première pour un dispositif photovoltaïque et devrait améliorer considérablement l'efficacité des dispositifs de détection photoélectrique. 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 d'autres formes d'énergie électromagnétique, de convertir les photons en courant électrique et de créer des paires électron-trou à partir des photons absorbés. Parmi les photodétecteurs, on trouve notamment les photodiodes et les phototransistors. Le rendement quantique définit le pourcentage de photons reçus par un dispositif tel qu'un photodétecteur et convertis en paires électron-trou ; il est égal au nombre d'électrons photogénérés divisé par le nombre de photons incidents.
Lorsqu'un photon incident produit un électron pour un circuit externe, le rendement quantique externe du dispositif est de 100 % (ce qui était auparavant considéré comme la limite théorique). Dans la dernière étude, le photodétecteur en 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, le secret de 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, sous l'effet de photons de haute énergie. Auparavant, les scientifiques n'avaient pas pu observer ce phénomène dans des dispositifs réels, car les pertes électriques et optiques réduisaient 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 notent 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 du contrôle des procédés industriels », a déclaré le Dr Mikko Juntuna, PDG d'ElfysInc, une entreprise appartenant à l'Université Aalto. Il semblerait qu'ils aient commencé la fabrication de ces détecteurs à des fins commerciales.
Date de publication : 11 juillet 2023