Инженеры разработали «невозможный» фотодиод с КПД 200%

Команда из Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) разработала тонкопленочный фотодиод с чрезвычайно высокой чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне, квантовая эффективность которого — количество фотонов, преобразуемых диодом в электроны — составляет более 200%! Эта технология может быть использована для дистанционного мониторинга работы сердца и дыхания человека.

Дискретный и непрерывный мониторинг жизнедеятельности пациента важен для диагностики здоровья. Частота сердечных сокращений — один из самых важных и тщательно отслеживаемых жизненно важных показателей. В настоящее время мониторинг может осуществляться неинвазивно (например, с помощью электрокардиограммы), включая оптические методы, такие как фотоплетизмография (PPG) и мониторинг движения грудной клетки. Эти методы основаны на взаимодействии света с человеческим телом и позволяют проводить дистанционную и полностью бесконтактную оценку — более гигиеничную, чем кожные устройства, и предпочтительную там, где требуется больший комфорт для пациента.

Эти оптические методы работают следующим образом: подкожная ткань освещается зеленым, красным или ближним инфракрасным источником света, а проходящий или отраженный свет измеряется фотодатчиком. По световым колебаниям можно судить об объемных изменениях артериальной крови с течением времени. Предпочтительнее использовать источник света ближнего инфракрасного диапазона, поскольку он невидим и более безопасен для человеческого глаза; однако для этого необходимо, чтобы фотодетектор был высокочувствителен к этому диапазону световых волн. Но чем больше расстояние до пациента, тем слабее сигналы и выше фоновый шум. Исследователи разработали новый тип фотодиода, который позволяет преодолеть эти проблемы.

Фотодиод, сочетающий в себе две технологии

Чтобы фотодиод работал правильно, он должен удовлетворять двум условиям: во-первых, он должен минимизировать ток, генерируемый в отсутствие света, так называемый «темновой ток». Чем меньше темновой ток, тем чувствительнее диод. Кроме того, он должен быть способен различать фоновый свет («шум») и соответствующий инфракрасный свет. К сожалению, эти два условия обычно трудно совместить.

Обработанные раствором тонкопленочные фотодиоды демонстрируют наилучший компромисс. «Органические и, в последнее время, перовскитные фотодиоды доминировали в этом классе устройств, обеспечивая высокую чувствительность фотогенерации, быстрое время отклика и низкий уровень шума«, — отмечают исследователи в журнале Science Advances. Кроме того, эти устройства обладают перестраиваемым зазором, который можно регулировать от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона с помощью состава материала.

Четыре года назад Риккардо Оллеаро, исследователь из Института сложных молекулярных систем при Технологическом университете Эйндховена, задался целью разработать новый тандемный фотодиод, сочетающий в себе перовскитовые и органические фотоэлектрические элементы — подход, который уже используется при разработке современных солнечных батарей.

Вместе с командой из Центра Холста — исследовательского института, специализирующегося на беспроводных сенсорных технологиях, — он разработал диод с низким темновым током и высоким соотношением сигнал/шум (оптический), достигнув квантовой эффективности в 70%. Но исследователь был убежден, что этот результат можно еще больше улучшить, если подвергнуть диод воздействию зеленого света. «Из предыдущих исследований я знал, что освещение солнечных элементов дополнительным светом может изменить их квантовую эффективность и, в некоторых случаях, улучшить ее«, — сказал он в своем заявлении.

Пульс можно определить на расстоянии более метра

Молодой исследователь оказался прав: под воздействием дополнительного зеленого света фотодиод показал квантовую эффективность, которая может превышать 200% при длине волны 850 нм! Точные причины такого улучшения пока неясны, но команда считает, что дополнительный зеленый свет приводит к накоплению электронов в слое перовскита, который действует как накопитель заряда при поглощении инфракрасных фотонов в органическом слое. «Другими словами, каждый инфракрасный фотон, проходящий через него и преобразующийся в электрон, сопровождается бонусным электроном, что приводит к эффективности в 200% и более«, — объясняет Оллеаро.

Устройство, которое оказалось в сто раз тоньше листа бумаги, также имеет низкие темновые токи (<10-6 мА см-2), высокую стабильность работы во времени (более 8 часов) и обладает большей устойчивостью к фоновому свету, чем существующие в настоящее время кремниевые датчики с оптической фильтрацией, сообщает команда.

Исследователи проверили потенциал своего фотодиода в контексте медицинского мониторинга, измеряя частоту сердечных сокращений и дыхания на расстоянии до 130 см. «Мы хотели проверить, сможет ли устройство улавливать тонкие сигналы, такие как частота сердечных сокращений или дыхания человека, в условиях реалистичного фонового освещения. Мы выбрали сценарий в помещении, в солнечный день с частично закрытыми шторами. И это сработало«, — говорит Оллеаро.

Даже на расстоянии 130 см команда смогла обнаружить мельчайшие изменения в количестве инфракрасного света, отраженного от диода, что соответствует изменениям кровяного давления. Оллеаро и его коллеги теперь планируют повысить скорость работы своего устройства; они также хотят испытать его в клинических условиях в сотрудничестве с проектом FORSEE — камерой наблюдения на основе искусственного интеллекта, предназначенной для обнаружения едва заметных изменений на лице или груди пациента, указывающих на возможные осложнения.