Ingenieros crean sensor de luz ‘imposible’ con 200% de eficiencia: ScienceAlert
Los científicos han producido un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica con una asombrosa eficiencia del 200 %, una cifra aparentemente imposible que se ha logrado gracias a la rareza de la física cuántica.
Tal es la sensibilidad del dispositivo conocido como fotodiodo, el equipo detrás de su innovación dice que podría usarse potencialmente en tecnología que monitorea los signos vitales de una persona (incluida la frecuencia cardíaca o respiratoria) sin necesidad de insertar nada o incluso conectarlo al cuerpo.
La eficiencia del fotodiodo generalmente se mide por la cantidad de partículas de luz disponibles que puede convertir en señales eléctricas. Aquí, los científicos están hablando de algo estrechamente relacionado, pero un poco más específico: el rendimiento de fotoelectrones, o la cantidad de electrones generados por los fotones que golpean el sensor.
La eficiencia de los fotoelectrones de un fotodiodo está determinada por su eficiencia cuántica: la capacidad esencial de un material para producir partículas portadoras de carga a un nivel fundamental, en lugar de la cantidad de energía eléctrica producida.
«[T]suena increíble, pero aquí no estamos hablando de eficiencia energética normal”, dicho ingeniero químico Rene Janssen, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos.
«Lo que importa en el mundo de los fotodiodos es la eficiencia cuántica. En lugar de la cantidad total de energía solar, importa cuántos fotones convierte el diodo en electrones».
Como punto de partida, el equipo trabajó en un dispositivo que combina dos tipos de células de paneles solares, perovskita y orgánicas. Al apilar las células de modo que la luz perdida por una capa sea captada por otra, los investigadores lograron una eficiencia cuántica del 70%.
Para aumentar esta cifra, se ha introducido una luz verde adicional. El sensor también se ha optimizado para mejorar su capacidad de filtrar diferentes tipos de luz y no responder a ninguna luz. Esto llevó la eficiencia cuántica del fotodiodo más allá del 200 %, aunque en este punto no está claro exactamente por qué se produce este aumento.
La clave podría ser la forma en que los fotodiodos producen corriente. Los fotones excitan los electrones en el material del fotodiodo, lo que hace que migren y creen una acumulación de carga. Los investigadores plantean la hipótesis de que la luz verde podría liberar electrones en una capa, que solo se convierten en corriente cuando los fotones golpean otra capa.
«Creemos que la luz verde adicional conduce a una acumulación de electrones en la capa de perovskita». dicho ingeniero químico Riccardo Ollearo, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven. «Actúa como un reservorio de cargas liberadas cuando los fotones infrarrojos son absorbidos por la capa orgánica».
«En otras palabras, cada fotón infrarrojo que pasa y se convierte en un electrón, recibe la compañía de un electrón adicional, lo que lleva a una eficiencia del 200% o más».
Un fotodiodo más eficiente es también un fotodiodo más sensible, un fotodiodo que es más capaz de observar cambios muy pequeños en la luz a distancias mayores. Esto nos lleva de nuevo a medir los latidos del corazón y los niveles de respiración.
Usando su fotodiodo ultrafino, cien veces más delgado que una hoja de periódico, los investigadores midieron pequeños cambios en la luz infrarroja reflejada por un dedo a una distancia de 130 centímetros (51,2 pulgadas). Se ha demostrado que se corresponde con la presión arterial y la frecuencia cardíaca, al igual que lo hace un sensor de reloj inteligente, pero operando al otro lado de una mesa.
Con una configuración similar, el equipo midió las frecuencias respiratorias a partir de ligeros movimientos del pecho. Aquí hay potencial para todo tipo de propósitos médicos y de monitoreo, si la tecnología se puede desarrollar con éxito desde la etapa de laboratorio.
«Queremos ver si podemos mejorar aún más el dispositivo, por ejemplo haciéndolo más rápido». dicho Jansen. «También queremos explorar si podemos probar clínicamente el dispositivo».
La investigación ha sido publicada en Los científicos progresan.
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