Nyt fotodetektordesign inspireret af plantefotosyntese

Forskere har udviklet en ny type højeffektiv fotodetektor inspireret af de fotosyntetiske komplekser planter bruger til at omdanne sollys til energi. Fotodetektorer bruges i kameraer, optiske kommunikationssystemer og mange andre applikationer til at omdanne fotoner til elektriske signaler.

"Vores enheder kombinerer lang rækkevidde transport af optisk energi med lang rækkevidde konvertering til elektrisk strøm," sagde forskergruppeleder Stephen Forrest fra University of Michigan. "Dette arrangement, analogt med det, der ses i planter, har potentialet til i høj grad at forbedre energiproduktionseffektiviteten af ​​solceller, som bruger enheder, der ligner fotodetektorer til at konvertere sollys til energi."

De fotosyntetiske komplekser, der findes i mange planter, består af et stort lysabsorberende område, der leverer molekylær exciteret tilstandsenergi til et reaktionscenter, hvor energien omdannes til en ladning. Selvom denne opsætning er meget effektiv, kræver det at efterligne den, at man opnår lang rækkevidde energitransport i et organisk materiale, hvilket har vist sig vanskeligt at opnå.

For at opnå denne tilsyneladende umulige opgave brugte forskerne unikke kvasipartikler kendt som polaritoner. I Optica Journal, Forrest og kolleger rapporterer om deres nye detektor, som genererer polaritoner i en organisk tynd film.

"En polariton kombinerer en molekylær exciteret tilstand med en foton, hvilket giver den både lyslignende og stoflignende egenskaber, der tillader lang række energitransport og omdannelse," sagde Forrest. "Denne fotodetektor er en af ​​de første demonstrationer af en praktisk optoelektronisk enhed baseret på polaritoner."

At tage udgangspunkt i planter

Forskerne forestillede sig den nye detektor for flere år siden, mens de ledte efter måder at lave bedre solceller på. "Efter at have observeret polaritonudbredelse over lange afstande i simple strukturer såsom et spejl med en organisk film på overfladen, troede vi, at det kunne være muligt at lave en fotosyntetisk analog ved hjælp af polaritoner," sagde Forrest. "Det var dog ret svært at finde ud af, hvordan man bygger sådan en enhed."

For at skabe en fotodetektor baseret på polaritoner skulle forskerne designe strukturer, der tillader polaritonudbredelse over lange afstande i en organisk halvleder tynd film. De skulle også finde ud af, hvordan man kunne integrere en simpel organisk detektor i udbredelsesområdet på en måde, der ville producere effektiv polariton-til-ladning-konvertering.

"Vi lånte fra strukturer, som vi tidligere har designet til at skabe effektive organiske fotovoltaiske celler," sagde Forrest. "Det var lidt tilfældigt, at disse strukturer tillod effektiv høst af den energi, der blev båret af polaritoner. Polaritoner rummer stadig nogle mysterier, og dette er en ny måde at bruge dem på, så vi var ikke sikre på, om det ville fungere."

Langdistanceudbredelse

Forskerne analyserede deres nye enhed ved at bruge et specielt Fourier-planmikroskop til at observere polaritonudbredelse. På grund af detektorens usædvanlige struktur var de nødt til at udvikle en måde til nøjagtigt at kvantificere resultaterne og sætte dem i sammenhæng med konventionelle detektorer, der er velkendte i optikmiljøet.

Resultaterne viste, at den nye fotodetektor er mere effektiv til at omdanne lys til elektrisk strøm end en sammenlignelig siliciumfotodiode. Den kan også samle lys fra områder omkring 0,01 mm ² og opnå konvertering af lys til elektrisk strøm over usædvanlig lange afstande på 0,1 nm. Denne afstand er tre ordener større end energioverførselsafstanden for fotosyntetiske komplekser.

Indtil nu er de fleste polaritoner blevet observeret som stationære kvasipartikler i lukkede hulrum med stærkt reflekterende spejle på både top og bund. Det nye arbejde afslørede vigtig indsigt i, hvordan polaritoner forplanter sig i åbne strukturer med et enkelt spejl. Den nye enhed tillod også de første målinger af, hvor effektivt indfaldende fotoner kan konverteres til polaritoner.

"Vores arbejde viser, at polaritoner, udover at være interessant videnskab, også er en guldgrube af applikationer, der endnu ikke er opdaget," sagde Forrest. "Enheder som vores giver en usædvanlig og muligvis unik metode til at forstå de grundlæggende egenskaber ved polaritoner og til at muliggøre endnu ikke forestillede måder at manipulere lys og ladning på." + Udforsk yderligere

Light-infused particles go the distance in organic semiconductors