黑矽光電探測器突破了100％的效率極限

黑矽，英文：blacksilicon，是一種半導體材料，是一種矽的表面改性材料，具有非常低的反射率，並且相應地吸收了可見光（和紅外光）。這種修飾是在1980年代發現的。形成類似結構的其他方法包括電化學蝕刻、汙點蝕刻、金屬輔助化學蝕刻、雷射處理和FFCCambridge工藝（一種電化學還原工藝）等。黑矽已經成為太陽能光伏產業的主要支柱之一，它可以提高標準晶體矽太陽能電池的光電轉換效率，從而大大降低成本。



光電探測器，英文：photodetector，又稱光感測器、光電感測器等，是可以感測光或是其他電磁能量的感測器，具有一個p–n結，可將光子轉換成電流。被吸收的光子形成電子-空穴對。光電二極體和光電電晶體是光感測器的一些示例。太陽能電池將吸收的一些光能轉換為電能。



科學家們現在開發出一種黑矽光電探測器（blacksiliconphotodetector），其效率達到了130％以上。這種光伏器件首次超過了100％的極限，這種100％的極限先前被認為是量子效率的理論最大值。

量子效率（英語：Quantumefficiency，縮寫為QE）是用來定義光敏器件，例如底片、感光耦合元件、光感測器等，將其受光表面接收到的光子轉換為電子-空穴對的百分比例，即

量子效率=光生電子/入射光子數



研究小組負責人HeleSavin教授說：「當看到這一研究結果時，我們簡直不敢相信自己的眼睛。我們立刻想通過獨立的第三方測量來驗證結果。」

獨立的第三方測量是由德國物理技術研究所（PTB）進行的，眾所周知，該機構可提供歐洲最準確、最可靠的測量服務。

德國物理技術研究所探測器輻射度實驗室負責人LutzWerner博士評論說：「看到測試結果後，我立即意識到這是一項重大的突破，同時，對於夢想更高靈敏度的計量科學家們來說，這是值得歡迎的一步」。

突破背後的秘密：獨特的納米結構

當一個入射光子向外部電路產生一個電子時，設備的外部量子效率為100％。130％的效率意味著一個入射光子產生大約1.3個電子。

研究人員發現，異常高的外部量子效率的根源在於矽納米結構內部的電荷載流子倍增過程，該過程由高能光子觸發。由於電和光損耗的存在減少了所收集電子的數量，因此在實際設備中較早沒有觀察到這種現象。



Savin教授解釋說：「我們可以收集所有倍增的電荷載流子，而無需單獨的外部偏置，因為我們的納米結構器件沒有重組和反射損失。」

這樣的效率意味著可以大大提高利用光檢測的任何設備的性能。光檢測已廣泛應用於我們的日常生活中，例如在汽車、手機、智能手錶和醫療設備中。

阿爾託大學分公司ElfysInc.的執行長MikkoJuntunen博士說：「我們的探測器目前正在吸引許多人，特別是在生物技術和工業過程監控方面。」我們已經在製造用於商業用途的唱片探測器。

該最新研究發現論文，題為「黑矽紫外光電二極體達到130％以上的外部量子效率」，即將發表在《物理評論快報》上。