الكفاءة الكمية للكاشف الضوئي تتجاوز الحد النظري

أفادت شبكة منظمة الفيزيائيين مؤخراً أن الباحثين الفنلنديين طوروا كاشفاً ضوئياً من السيليكون الأسود بكفاءة كمية خارجية تبلغ 130%، وهي المرة الأولى التي تتجاوز فيها كفاءة الأجهزة الكهروضوئية الحد النظري البالغ 100%، ومن المتوقع أن يؤدي ذلك إلى تحسين كبير في كفاءة أجهزة الكشف الكهروضوئي، وتستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في السيارات والهواتف المحمولة والساعات الذكية والمعدات الطبية.

الكاشف الضوئي هو جهاز استشعار يقيس الضوء أو الطاقة الكهرومغناطيسية الأخرى، ويحول الفوتونات إلى تيار كهربائي، حيث تشكل الفوتونات الممتصة أزواجًا من الإلكترونات والفجوات. يشمل الكاشف الضوئي أنواعًا مختلفة، مثل الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي. تُستخدم الكفاءة الكمية لتحديد النسبة المئوية للفوتونات التي يستقبلها جهاز مثل الكاشف الضوئي على شكل أزواج من الإلكترونات والفجوات، أي أن الكفاءة الكمية تساوي عدد الإلكترونات المتولدة ضوئيًا مقسومًا على عدد الفوتونات الساقطة.

عندما يُنتج فوتون ساقط إلكترونًا في دائرة خارجية، تكون الكفاءة الكمية الخارجية للجهاز 100% (والتي كانت تُعتبر سابقًا الحد النظري). في أحدث دراسة، بلغت كفاءة كاشف ضوئي من السيليكون الأسود 130%، ما يعني أن فوتونًا ساقطًا واحدًا يُنتج حوالي 1.3 إلكترون.

بحسب باحثين من جامعة آلتو، يكمن السرّ وراء هذا الإنجاز الكبير في عملية تضاعف حاملات الشحنة التي تحدث داخل البنية النانوية الفريدة لكاشف الضوء المصنوع من السيليكون الأسود، والتي تُحفّزها الفوتونات عالية الطاقة. في السابق، لم يتمكن العلماء من رصد هذه الظاهرة في الأجهزة الحقيقية بسبب وجود الفقد الكهربائي والضوئي الذي كان يُقلّل من عدد الإلكترونات المُجمّعة. وأوضحت البروفيسورة هيرا سيفرن، قائدة الدراسة: "أجهزتنا النانوية لا تُعاني من إعادة التركيب ولا من فقد الانعكاس، لذا يُمكننا جمع جميع حاملات الشحنة المُضاعفة".

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

ويشير الباحثون إلى أن هذه الكفاءة القياسية تعني أن العلماء يمكنهم تحسين أداء أجهزة الكشف الكهروضوئي بشكل كبير.

قال الدكتور ميكو جونتونا، الرئيس التنفيذي لشركة ElfysInc، التابعة لجامعة آلتو: "لقد حظيت أجهزة الكشف التي ننتجها باهتمام كبير، لا سيما في مجالات التكنولوجيا الحيوية ومراقبة العمليات الصناعية". وتشير التقارير إلى أن الشركة بدأت بالفعل في تصنيع هذه الأجهزة للاستخدام التجاري.