الكفاءة الكمومية للكاشف الضوئي تكسر الحد النظري

ووفقا لما ذكرته شبكة منظمة الفيزيائيين مؤخرا، فإن باحثين فنلنديين طوروا كاشفا ضوئيا من السيليكون الأسود بكفاءة كمية خارجية تصل إلى 130%، وهي المرة الأولى التي تتجاوز فيها كفاءة الأجهزة الكهروضوئية الحد النظري البالغ 100%، وهو ما يتوقع أن يرتفع بشكل كبير. تحسين كفاءة أجهزة الكشف الكهروضوئية، وتستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في السيارات والهواتف المحمولة والساعات الذكية والمعدات الطبية.

الكاشف الضوئي هو جهاز استشعار يمكنه قياس الضوء أو الطاقة الكهرومغناطيسية الأخرى، وتحويل الفوتونات إلى تيار كهربائي، وتشكل الفوتونات الممتصة أزواج ثقب الإلكترون. يشتمل الكاشف الضوئي على الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي، وما إلى ذلك. تُستخدم الكفاءة الكمومية لتحديد النسبة المئوية للفوتونات التي يستقبلها جهاز مثل الكاشف الضوئي في زوج ثقب الإلكترون، أي أن الكفاءة الكمومية تساوي عدد الإلكترونات المولدة ضوئيًا مقسومة على عدد الفوتونات الحادثة

عندما يُنتج الفوتون الساقط إلكترونًا إلى دائرة خارجية، تكون كفاءة الكم الخارجية للجهاز 100% (كان يُعتقد سابقًا أنها الحد النظري). وفي الدراسة الأخيرة، كان للكاشف الضوئي المصنوع من السيليكون الأسود كفاءة تصل إلى 130%، مما يعني أن الفوتون الساقط الواحد ينتج حوالي 1.3 إلكترون.

وفقًا لباحثين من جامعة آلتو، فإن السلاح السري وراء هذا الإنجاز الكبير هو عملية مضاعفة حامل الشحنة التي تحدث داخل البنية النانوية الفريدة لكاشف ضوئي من السيليكون الأسود، والتي يتم تشغيلها بواسطة فوتونات عالية الطاقة. وفي السابق، لم يتمكن العلماء من ملاحظة هذه الظاهرة بأجهزة حقيقية، لأن وجود الفقد الكهربائي والضوئي أدى إلى تقليل عدد الإلكترونات المتجمعة. وأوضح قائد الدراسة البروفيسور هيرا سيفيرن: "أجهزتنا ذات البنية النانوية لا تحتوي على إعادة التركيب ولا فقدان الانعكاس، حتى نتمكن من جمع جميع حاملات الشحنة المضاعفة".

تم التحقق من هذه الكفاءة من قبل معهد التكنولوجيا الفيزيائية التابع للجمعية الوطنية الألمانية للقياس (PTB)، وهي خدمة القياس الأكثر دقة وموثوقية في أوروبا.

ويشير الباحثون إلى أن كفاءة التسجيل هذه تعني أن العلماء يمكنهم تحسين أداء أجهزة الكشف الكهروضوئية بشكل كبير.

قال الدكتور ميكو جونتونا، الرئيس التنفيذي لشركة ElfysInc، وهي شركة مملوكة لجامعة آلتو: "لقد أثارت أجهزة الكشف لدينا الكثير من الاهتمام، خاصة في مجالات التكنولوجيا الحيوية ومراقبة العمليات الصناعية". ويذكر أنهم بدأوا في تصنيع مثل هذه الكاشفات للاستخدام التجاري.