Deze 'Harry Potter'-lichtsensor heeft een magisch rendement van ruim 200 procent

René Janssen, hoogleraar aan de TU/e en co-auteur van een nieuw paper in Science Advances, legt uit. "Ik weet het, dit klinkt ongelooflijk. Maar we hebben het hier niet over normale energie-efficiëntie. Wat telt in de wereld van de fotodiodes is quantumefficiëntie. In plaats van de totale hoeveelheid zonne-energie telt het aantal fotonen dat de diode omzet in elektronen.

Ik vergelijk het altijd met de tijd dat we nog guldens en lires hadden. Als een toerist uit Nederland tijdens zijn vakantie in Italië voor zijn 100 gulden slechts 100 lire kreeg, voelde hij zich waarschijnlijk bekocht. Maar omdat in quantumtermen elke gulden telt als één lire, behaalde hij toch een rendement van 100 procent. Dit geldt ook voor fotodiodes: hoe beter de diode in staat is zwakke lichtsignalen te detecteren, hoe hoger het rendement."

Donkerstroom

Fotodiodes zijn lichtgevoelige halfgeleiderelementen die een stroom produceren als ze fotonen van een lichtbron absorberen. Zij worden gebruikt als sensoren in allerlie toepassingen, waaronder medische doeleinden, wearables voor het bewaken van patiënten, lichtcommunicatie, bewakingssystemen en beeldherkenning. Op al deze gebieden is een hoge gevoeligheid essentieel.

Wil een fotodiode goed werken, dan moet zij aan twee voorwaarden voldoen. Ten eerste moet hij de stroom die ontstaat bij afwezigheid van licht, de zogenaamde donkerstroom, minimaliseren. Hoe minder donkerstroom, hoe gevoeliger de diode. Ten tweede moet hij het niveau van het achtergrondlicht (de ‘ruis’) kunnen onderscheiden van het relevante infrarode licht. Helaas gaan deze twee dingen meestal niet samen, integendeel.

Tandem

Vier jaar geleden begon Riccardo Ollearo, een van Janssens promovendi en hoofdauteur van het artikel, aan de oplossing van dit raadsel. In zijn onderzoek werkte hij samen met het fotodetectorteam van het Holst Centre, een onderzoeksinstituut gespecialiseerd in draadloze en geprinte sensortechnologieën. Ollearo bouwde een zogenaamde tandemdiode, een apparaat met zowel perovskiet- als organische PV-cellen.

Door deze twee lagen te combineren - een techniek die ook steeds meer wordt gebruikt in geavanceerde zonnecellen - kon hij beide omstandigheden optimaliseren en een efficiëntie van 70 procent bereiken.

 "Dat is best indrukwekkend, maar niet genoeg", vond de ambitieuze jonge onderzoeker uit Italië. "Ik besloot te kijken of ik het rendement nog verder kon verhogen met behulp van groen licht. Uit eerder onderzoek wist ik dat het verlichten van zonnecellen met extra licht hun quantumefficiëntie kan veranderen, en in sommige gevallen zelfs verbeteren. Tot mijn verrassing werkte dit zelfs beter dan verwacht bij het verbeteren van de gevoeligheid van de fotodiode. We konden het rendement voor nabij-infrarood licht verhogen tot meer dan 200 procent!"

Mysterie

Tot nu toe weten de onderzoekers nog steeds niet precies hoe dit werkt, hoewel ze een theorie hebben bedacht die het effect zou kunnen verklaren.

"We denken dat het extra groene licht leidt tot een opeenhoping van elektronen in de perovskietlaag. Dit werkt als een reservoir van ladingen die vrijkomen wanneer infrarode fotonen worden geabsorbeerd in de organische laag", zegt Ollearo. "Met andere woorden, elk infrarood foton dat wordt opgevangen en omgezet in een elektron, krijgt gezelschap van een bonuselektron, wat leidt tot een efficiëntie van 200 procent of meer. Zie het als twee lires krijgen voor je gulden, in plaats van één!"
 

Testen in het lab

Ollearo testte de fotodiode, die honderd keer zo dun is als een vel krantenpapier, vervolgens in het lab. "We wilden zien of het apparaat subtiele signalen kon oppikken, zoals de hart- of ademhalingsfrequentie van een mens in een omgeving met realistisch achtergrondlicht. We kozen voor een binnenscenario, tijdens een zonnige dag met de gordijnen gedeeltelijk gesloten. En het werkte!"

Door het apparaat op 130 cm van een vinger te houden, konden de onderzoekers minieme veranderingen waarnemen in de hoeveelheid infrarood licht die in de diode werd teruggekaatst.

Deze veranderingen blijken een correcte indicatie te zijn van veranderingen in de bloeddruk in de aderen van een persoon, die op hun beurt de hartslag aangeven. Wanneer het apparaat op de borst van de persoon werd gericht, konden zij de ademhalingsfrequentie meten aan de hand van lichte bewegingen in de borstkas (zie afbeelding)".

Toekomst

Met de publicatie van het artikel in Science Advances is Ollearo's werk zo goed als klaar. Op 21 april verdedigt hij zijn proefschriftonderzoek. Houdt het onderzoek dan op?

"Nee, zeker niet. We willen kijken of we het apparaat verder kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door het sneller te maken", zegt Janssen. "Ook willen we onderzoeken of we het apparaat klinisch kunnen testen, bijvoorbeeld in samenwerking met het FORSEE-project."

Het FORSEE-project, geleid door TU/e-onderzoeker Sveta Zinger en in samenwerking met het Catharina Ziekenhuis in Eindhoven, ontwikkelt een intelligente camera die de hart- en ademhalingssnelheid van een patiënt kan observeren.

Laten we hopen dat de onderzoekers van de TU/e en TNO blijven bewijzen dat je geen Harry Potter hoeft te zijn om magische prestaties in de wetenschap te leveren!

Meer informatie

Riccardo Ollearo, René Janssen, Gerwin Gelinck et al. Vitality surveillance at distance using thin-film tandem-like narrowband near-infrared 2 photodiodes with light-enhanced responsivity, Science Advances.