黑硅紫外线响应效率超过百分130

芬兰阿尔托大学微与纳米电子学副教授Hele Savin表示：“有史以来第一次，直接的实验证据表明，单个光电二极管的外部量子效率可以达到100%以上，而没有任何外部抗反射。” 这项结果是在几年后才出现的。阿尔托大学的Savin及其同事在用黑色硅制成的光电二极管中证明了在250-950 nm波长范围内几乎统一的效率，该器件中的硅表面经过纳米结构化和涂层处理以抑制损耗。

Savin的小组注意到在UV区域会产生一些奇怪的影响，因此扩展了对设备的研究，将重点放在电磁光谱的该区域。紫外线感测具有多种应用，包括光谱和成像，火焰检测，水净化和生物技术。预计每年对紫外线光电二极管的市场需求将增长到30%，但这些设备的效率最多只能被限制在80%。令Savin惊讶的是，对其设备对紫外线的响应进行更仔细的分析后发现，外部量子效率可能超过130%。Physikalisch Technische Bundesanstalt(PTB)的独立测量验证了结果。

超越“理论极限”

从理论上讲，如果每个撞击光电二极管的光子都将电子或空穴(电荷载流子)击倒，则效率将达到100%。然而，首先有几个过程开始清除这些激发的电子或使光子停止激发它们，这导致了常被引用的Schockley-Queisser对此类实际器件的理论极限。

相反，其他效果可能有助于提高效率。现在已被广泛接受的是，受激的载流子可以通过碰撞激发更多的载流子起作用。优化这种“载波乘法”的条件，同时尽可能地降低损耗，对于获得更高效率的器件来说似乎是一个不错的选择。

损耗的主要原因有两个：首先是光子在到达设备内部之前从表面反射出来的光，从而激发将承载电流的电子或空穴。第二个是电子和空穴对的复合，然后才能对电流做出有意义的贡献。Savin和她的合作者在这里意识到黑硅可能确实有所作为。

黑硅的表面由圆锥和圆柱组成的纳米结构，使圆锥表面在所有可能入射光的角度都具有高度吸收性。通常，使用纳米结构表面降低反射会导致更大的复合，因此获得的净收益很少，但是这些器件均涂有Al 2 O 3来抑制这种复合。结果是器件不仅在波长250-950 nm处具有接近单位的效率，而且在200 nm处的效率超过130%。