光検出器の量子効率が理論限界を突破

物理学者組織ネットワークの最近の報道によると、フィンランドの研究者らが外部量子効率130%のブラックシリコン光検出器を開発した。これは太陽光発電装置の効率が理論限界の100%を超えた初めてのケースであり、光電検出装置の効率が大幅に向上すると期待されており、これらの装置は自動車、携帯電話、スマートウォッチ、医療機器などに広く使用されている。

光検出器は、光やその他の電磁エネルギーを測定し、光子を電流に変換し、吸収された光子が電子正孔対を形成するセンサーです。光検出器には、フォトダイオードやフォトトランジスタなどが含まれます。量子効率は、光検出器などのデバイスによって受信された光子のうち、電子正孔対を形成する割合を定義するために使用されます。つまり、量子効率は、光生成電子の数を入射光子の数で割った値に等しくなります。

入射光子が外部回路に電子を生成する場合、デバイスの外部量子効率は100%（以前は理論上の限界と考えられていました）です。最新の研究では、ブラックシリコン光検出器の効率は最大130%に達しました。これは、入射光子1個が約1.3個の電子を生成することを意味します。

アールト大学の研究者によると、この画期的な進歩の背後にある秘密兵器は、ブラックシリコン光検出器の独自のナノ構造内で高エネルギー光子によって発生する電荷キャリアの増倍プロセスです。これまで、電気的および光学的損失の存在により収集される電子数が減少するため、科学者はこの現象を実際のデバイスで観察することができませんでした。「私たちのナノ構造デバイスは再結合も反射損失もないため、増倍された電荷キャリアをすべて収集できます」と、研究リーダーであるヘラ・セバーン教授は説明します。

この効率は、ヨーロッパで最も正確で信頼性の高い測定サービスであるドイツ国立計量協会 (PTB) の物理技術研究所によって検証されています。

研究者らは、この記録的な効率は科学者が光電検出装置の性能を大幅に向上させることができることを意味すると指摘している。

「当社の検出器は、特にバイオテクノロジーや産業プロセスモニタリングの分野で大きな関心を集めています」と、アールト大学傘下のElfysIncのCEO、ミッコ・ユントゥナ博士は述べています。同社は商業利用向けに同様の検出器の製造を開始したと報じられています。