黑矽UV響應效率超過 130%

具有柱狀形貌的b-Si納米織構的鳥瞰圖SEM圖像。

「有史以來第一次，我們有直接的實驗證據表明，在沒有任何外部抗反射的情況下，單個光電二極體的外部量子效率可以達到 100% 以上，」 賀爾 · 薩溫,芬蘭阿爾託大學微觀和納米電子學副教授說。結果是在薩文和阿爾託大學的同事證明幾年後得出的，在波長範圍內幾乎統一的效率 250-950 nm在用黑矽製成的光電二極體中，矽表面是納米結構並塗覆以抑制損耗。

注意到紫外線區域的一些奇怪的影響，薩溫的小組擴展了他們對設備的研究，把重點放在電磁頻譜的這個區域。UV傳感有多種應用，包括光譜和成像、火焰檢測、水淨化和生物技術。雖然UV光電二極體的年市場需求預計將增加到 30%，但這些器件的效率最多只能限制在 80%。令Savin驚訝的是，對他們的設備對紫外光的反應進行更仔細的分析發現，外部量子效率可以超過 130%。Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) 的獨立測量驗證了結果。

擊敗 「理論極限」

理論上，如果每個擊中光電二極體的光子都撞擊一個電子或空穴 (電荷載流子)，效率將達到 100%。然而，首先有幾個過程開始清除這些激發的電子或者阻止光子激發它們，導致經常被引用的Schockley-Queisser對這種真實設備的理論限制。

相反，其他效果可能有利於更高的效率。現在人們普遍認為，激發的載體可以通過碰撞激發進一步的載體發揮作用。優化這種 「載波倍增」 的條件，同時儘可能減少損失，對於獲得更高效率的設備來說，似乎是一個不錯的選擇。

損失的主要原因有兩個: 第一個是光子在到達設備內部之前從表面反射，以激發將攜帶電流的電子或空穴;第二是電子和空穴對在對電流做出有意義的貢獻之前的複合。在這裡，薩溫和她的合作者意識到黑矽可能真的會有所不同。

黑矽的表面是納米結構的錐和柱，使表面在光可能入射的所有角度都具有高度吸收性。通常，使用納米結構的表面來降低反射會導致更大的複合，因此幾乎沒有淨增益，但是這些器件被塗有鋁2O3抑制這種重組。結果是器件不僅在波長 250-950 nm處具有接近統一的效率，而且在 130% nm處的效率超過 200。

你只需要UV

為了確定是什麼提高了超過 100% 的效率，研究人員模擬了電場和表面模擬納米錐和納米柱中的靜電分布。「我們的假設是，當我們在設備中使用納米級尺寸時，它必須與一些量子限制或類似現象有關，」 薩溫說。

令人驚訝的是，模擬顯示納米錐或納米柱中的電場沒有增加，這表明它們不負責通過增強載流子倍增或其他一些效應來提高效率。相反，研究人員發現，一旦損失被抑制，高能紫外線光子可能會撞擊一個有足夠影響力的載流子，引發一連串的載流子倍增，從而提高設備效率。

薩溫解釋說: 「在過去，這些設備遭受了光學和電氣損耗，這掩蓋了我們現在看到的現象。」。「我們能夠克服損失，製造出一個完全無損失的裝置，因此甚至能夠超越 100% 的理論極限。「她還指出，由於這種材料是矽，它也是CMOS兼容的，這對工業製造來說是個好消息。

模擬還揭示了納米結構中間不高的電場和靜電電位之間的奇怪差異。通常，一個接一個，但是薩文和合作者解釋了對抗鋁的固定電荷密度所需的孔密度的不尋常差異2O3塗層。「矽納米結構已經從N型P型 (不使用任何摻雜劑原子)，「Savin說。所以我們 「實際上」 在摻雜納米結構。"

研究人員已經在通過他們的分拆公司ElFys Inc.將他們的結果商業化。,以及試圖為其他波長超過 100% 的效率。