Extrémní produkce elektronů na novém detektoru. Kredit: Wisa Förbom.

Ve vědě se někdy stává, že vědci nevěří vlastním očím. Podle všeho to byl případ i týmu finské Aalto University, který vyvinul pozoruhodný detektor záření (photodetector) z černého křemíku (black silicon). Černý křemík je polovodičový materiál vytvořený povrchovou úpravou křemíku, který velmi málo odráží světelné záření. Intenzivně absorbuje viditelné i infračervené záření, takže je na pohled velmi černý.

Hele Savin. Kredit: Aalto University.

Tento detektor přitom dosahuje účinnosti detekce záření kolem 130 procent. Je to poprvé v historii, kdy fotovoltaické zařízení prorazilo limit 100% účinnosti, považovaný do této doby za teoretické maximum. Jak přiznává vedoucí výzkumu Hele Savin, když s kolegy uviděli výsledky, tak jen stěží věřili vlastním očím. Raději se rozhodli výzkum ověřit nezávislým měřením. To pro ně zajistil německý institut German National Metrology Institute, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), o němž je známo, že poskytuje nejpřesnější a nejvíce věrohodné výsledky měření v Evropě.

Netradiční logo Aalto University.

V institutu PTB ale měření účinnosti nového detektoru záření dopadlo stejně jako ve Finsku. Lutz Werner, šéf laboratoře Laboratory of Detector Radiometry, která příslušná kontrolní měření prováděla, se netají tím, že výsledky okamžitě považoval za velkou věc. Podle něj jde o významný průlom, který by mohl přinést citlivější přístroje i pro ně samotné, tedy pro odborníky na měření.

Černý křemík v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Kredit: Materialscientist / Wikimedia Commons.

Jak může být účinnost detektoru záření (external quantum efficiency) větší než sto procent? V tomto případě 100% účinnost odpovídá situaci, kdy jeden dopadající foton generuje jeden elektron. 130% účinnost tedy vlastně znamená, že jeden foton vygeneruje pro vnější obvod v průměru 1,3 elektronu.

Badatelé zjistili, že neobyčejná schopnost nového detektoru vyplývá z procesů, které se odehrávají po dopadu fotonů krátkovlnného UV záření na křemíkové nanostruktury. Extrémní účinnost jejich zařízení naznačuje, že bude možné zvýšit citlivost některých zařízení, které využívají detekci světla. Jde například o automobily, chytré telefony či hodinky anebo medicínská zařízení.

Již teď si výzkum týmu Savinové získal velkou pozornost, hlavně v biotechnologiích a technologiích řízení průmyslových procesů. Pracuje na tom spin-off Elfys Inc., který funguje při Aalto University. Jak uvádí jeho šéf Mikko Juntunen, vlastně již vyrábějí komerční detektory založené na tomto výzkumu.

Video: Hele Savin and black solar cells

Literatura

Aalto University 13. 8. 2020.

Physical Review Letters (accepted)