Wat als je hartslag van relatief ver kan worden gecontroleerd? Zou het niet beter zijn als ziekenhuispatiënten niet met massa’s vitale apparaten aan hun lichaam vastzaten? Het kan met een nieuwe lichtsensor die wetenschappers van de TU Eindhoven hebben ontwikkeld. Die hartmeting op afstand is een toepassing waar ze in eerste instantie niet naar op zoek waren. Eigenlijk waren de onderzoekers aan het knutselen om zogenaamde fotodiodes zo goed mogelijk te laten werken. En daar zijn ze in geslaagd. Ze haalden zelfs een rendement van 220 procent. In de zogenaamde “echte wereld” is een energetisch rendement van meer dan 100 procent in principe niet mogelijk. Dat geldt echter niet voor het kwantumrijk.
Promovendus Riccardo Ollearo en hoogleraar moleculaire materialen en nanosystemen René Janssen, die de studie leidden, leggen uit dat “kwantumefficiëntie” de verhouding is tussen het invallende foton en het omgezette elektron. Hierbij is het belangrijk dat het “juiste type licht” door het apparaat gaat en dat de juiste materialen worden gebruikt voor de sensor. Als aan deze voorwaarden is voldaan, kan de fotodetector stroom opwekken met een verhouding van twee elektronen per foton.
Een breed scala aan real-life toepassingen
Deze verbazingwekkende efficiëntie maakt het apparaat echt nauwkeurig, waardoor het nuttig blijkt voor het uitvoeren van verschillende, handige taken. “Deze sensor zou gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in de medische wereld”, zegt Ollearo. “Hij is goedkoop en gemakkelijk te produceren en zou kunnen helpen om mensen op een discrete en niet-invasieve manier te controleren. Een ander voorbeeld is tijdens het autorijden: het zou je vitale functies kunnen controleren en je alertheid kunnen bepalen, waarbij voortdurend wordt gecontroleerd of je niet in slaap valt”. Maar dit zijn slechts twee van alle mogelijke toepassingen, die zich in wezen uitstrekken tot alle gevallen waarin controle van de vitale functies op afstand noodzakelijk is. Al met al zou de sensor kunnen worden gebruikt op het gebied van geneeskunde, openbare en particuliere veiligheid en zelfs naast technologische apparaten zoals VR-brillen.
Professor Janssen is echter voorzichtig wanneer hij spreekt over de toekomst en de mogelijke bruikbaarheid van het apparaat. “De volgende stappen zouden een studie kunnen zijn om beter te begrijpen hoe deze poort tussen de twee lagen werkt. We begrijpen nog niet helemaal hoe dat werkt en kunnen dus niet voorspellen of de waarde die we nu hebben al dan niet in de buurt komt van een bovengrens. Misschien is het mogelijk om het effect te versterken. Dus voordat we verder nadenken over toepassingen, moeten we dit beter begrijpen. Het uiteindelijke doel van het werk aan fotodiodes is ze zeer gevoelig te maken, met een groot lineair dynamisch bereik en, indien mogelijk, zeer snel”.
Hoge gevoeligheid
Inderdaad, het begrijpen van het mechanisme achter de lichtsensor is niet direct makkelijk. Ollearo: “Allereerst is er een groot verschil tussen energetisch rendement en wat hier gebeurt. Het eerste verwijst naar wat er gebeurt in een standaard zonnecel, waar energie van de zon wordt omgezet in elektriciteit. Dit gebeurt doordat fotonen elektronen in de cel exciteren, waardoor ze van het basisniveau naar een hoger (aangeslagen) niveau worden gebracht, waarop de ladingen vrij kunnen bewegen en energie produceren die bijvoorbeeld een koelkast of een ander apparaat van stroom kan voorzien. Dit geldt niet voor onze lichtsensor, die de aanwezigheid van licht detecteert, maar geen energie produceert”.
In feite werkt de fotodetector (of fotodiode) op een iets andere manier dan een zonnecel, want het doel is niet om energie uit het proces te halen, maar om er zoveel mogelijk stroom uit te halen. Daarom gaat het hier om gevoeligheid, wat betekent dat de sensor in principe zelfs bijna onmerkbare hoeveelheden licht die erdoorheen gaan, moet detecteren.
“Idealiter wil je een foton-naar-elektron rendement van 1 op 1, oftewel 100 procent”, gaat Ollearo verder. “In bijna alle gevallen is dat niet haalbaar: sommige fotonen worden weggekaatst, andere worden niet geabsorbeerd door het materiaal in de cel en weer andere verliezen hun spanning voordat ze door het materiaal heen komen. Dus van de 100 krijg je misschien een kwantumefficiëntie van 70-80 procent. Ollearo stelt dat het desondanks gelukt is om een kwantumefficiëntie van meer dan 200 procent te bereiken.
Wat het nodig heeft om te werken
Zoals gezegd heeft dit te maken met een aantal factoren. De eerste is het materiaal dat Ollearo en zijn collega’s gebruikten: een combinatie van perovskiet en organische materialen, op elkaar gestapeld, waardoor een zogenaamde “tandemconfiguratie” ontstaat. De andere is de combinatie van groen licht en infrarood licht dat door de materialen wordt geschoten, wat de 2 op 1 output mogelijk maakte. Het systeem werkt omdat het gebruik maakt van de eigenschappen van deze twee “soorten” licht, waarbij het groene licht wordt gekenmerkt door hoge energie en korte golflengte, terwijl het infrarode licht zich aan de andere kant van het spectrum bevindt, met lage energie en langere golflengte.
Deze combinatie, waarbij het groene licht eerst wordt geschoten en het infrarode licht net daarna, zorgt ervoor dat de elektronen in de bovengenoemde materialen genoeg energie krijgen om door de verschillende lagen van de materialen te kunnen gaan. Dit proces zet niet alleen fotonen efficiënt om in elektronen, maar “pikt” ook elektronen op en brengt ze mee die al in de materialen waren achtergebleven en niet op eigen kracht door materiaallagen konden springen, zoals het geval is voor de elektronen die door groen licht worden opgewekt.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
