Ученые из Финляндии придумали, как одной частицей света выбить из фотогальванического материала больше одного электрона. Это, казалось бы, невозможное достижение стало реальным благодаря уникальной структуре черного кремния. Открытие может применяться в производстве солнечных элементов и других фотодетекторов.

В теории, если у гипотетического фотогальванического устройства внешняя квантовая эффективность равна 100%, это значит, что каждый фотон, попадающий на него, вырабатывает один электрон, который превращается в электричество.

Ученые из Университета Аальто создали фотодетектор, КПД которого превосходит 100% — с каждого фотона он получает в среднем 1,32 электрона. Создан он из черного кремния, активного материала, абсорбирующего ультрафиолетовый свет благодаря своей наноструктуре из колонн и конусов.

Казалось бы, такое невозможно, ведь законы физики утверждают, что энергия не может взяться из ниоткуда. Ответ в устройстве фотогальванических материалов. Когда фотон света сталкивается с активным материалом — обычно с кремнием — он выбивает электрон в одном из его атомов. Но в определенных обстоятельствах один высокоэнергетический фотон может выбить два электрона, не нарушая никаких правил.

Производительность обычных фотогальванических материалов снижается по ряду причин, например, потому что фотоны отражаются от устройства или электроны рекомбинируются с дырками, которые они оставляют в атомах, и не попадают в цепь.

Но команда финских ученых по большей части справилась с этими трудностями. Черный кремний абсорбирует намного больше фотонов, чем другие материалы, а конус и колонны его структуры сокращают рекомбинацию электронов на поверхности, пишет New Atlas.

Производительность устройства была подтверждена независимой коллегией ученых из Физико-технического федерального института Германии. Технология позволяет улучшить КПД практически любого фотодетектора, в том числе, солнечных элементов или других фотосенсоров. Коммерческое производство рекордных фотодетекторов уже началось.