Neues Photodetektor-Design, inspiriert von der pflanzlichen Photosynthese

Forscher haben eine neue Art von hocheffizientem Fotodetektor entwickelt, der von den photosynthetischen Komplexen inspiriert ist, die Pflanzen verwenden, um Sonnenlicht in Energie umzuwandeln. Fotodetektoren werden in Kameras, optischen Kommunikationssystemen und vielen anderen Anwendungen verwendet, um Photonen in elektrische Signale umzuwandeln.

„Unsere Geräte kombinieren den Ferntransport optischer Energie mit der Fernumwandlung in elektrischen Strom“, sagte Forschungsteamleiter Stephen Forrest von der University of Michigan. „Diese Anordnung, analog zu dem, was in Pflanzen zu sehen ist, hat das Potenzial, die Effizienz der Stromerzeugung von Solarzellen, die ähnliche Geräte wie Fotodetektoren verwenden, um Sonnenlicht in Energie umzuwandeln, erheblich zu verbessern.“

Die in vielen Pflanzen gefundenen photosynthetischen Komplexe bestehen aus einem großen lichtabsorbierenden Bereich, der molekulare Energie im angeregten Zustand an ein Reaktionszentrum liefert, wo die Energie in eine Ladung umgewandelt wird. Obwohl dieser Aufbau sehr effizient ist, erfordert seine Nachahmung einen langreichweitigen Energietransport in einem organischen Material, was sich als schwierig erwiesen hat.

Um diese scheinbar unmögliche Aufgabe zu lösen, verwendeten die Forscher einzigartige Quasiteilchen, die als Polaritonen bekannt sind. Im Optik Journal, Forrest und Kollegen berichten über ihren neuen Detektor, der Polaritonen in einem organischen dünnen Film erzeugt.

„Ein Polariton kombiniert einen molekularen angeregten Zustand mit einem Photon und verleiht ihm sowohl lichtähnliche als auch materieähnliche Eigenschaften, die einen Energietransport und eine Energieumwandlung über große Entfernungen ermöglichen“, sagte Forrest. „Dieser Fotodetektor ist eine der ersten Demonstrationen eines praktischen optoelektronischen Geräts auf der Basis von Polaritonen.“

Sich an Pflanzen orientieren

Die Forscher stellten sich den neuen Detektor vor einigen Jahren vor, als sie nach Möglichkeiten suchten, bessere Solarzellen herzustellen. „Nachdem wir die Ausbreitung von Polaritonen über große Entfernungen in einfachen Strukturen wie einem Spiegel mit einem organischen Film auf seiner Oberfläche beobachtet hatten, dachten wir, dass es möglich sein könnte, ein photosynthetisches Analogon unter Verwendung von Polaritonen herzustellen“, sagte Forrest. „Es war jedoch ziemlich schwierig herauszufinden, wie man ein solches Gerät baut.“

Um einen auf Polaritonen basierenden Fotodetektor zu entwickeln, mussten die Forscher Strukturen entwerfen, die die Ausbreitung von Polaritonen über große Entfernungen in einem organischen Halbleiter-Dünnfilm ermöglichen. Sie mussten auch herausfinden, wie man einen einfachen organischen Detektor so in den Ausbreitungsbereich integriert, dass eine effiziente Polariton-zu-Ladung-Umwandlung entsteht.

„Wir haben von Strukturen geliehen, die wir zuvor entwickelt haben, um effiziente organische Photovoltaikzellen herzustellen“, sagte Forrest. „Es war ein bisschen Zufall, dass diese Strukturen eine effiziente Ernte der von Polaritonen transportierten Energie ermöglichten. Polaritonen bergen immer noch einige Geheimnisse, und dies ist eine neue Art, sie zu nutzen, also waren wir uns nicht sicher, ob es funktionieren würde.“

Ausbreitung über große Entfernungen

Die Forscher analysierten ihr neues Gerät, indem sie ein spezielles Fourier-Ebenenmikroskop verwendeten, um die Polariton-Ausbreitung zu beobachten. Aufgrund der ungewöhnlichen Struktur des Detektors mussten sie eine Methode entwickeln, um die Ergebnisse genau zu quantifizieren und sie in den Kontext herkömmlicher Detektoren zu stellen, die der Optik-Community wohlbekannt sind.

Die Ergebnisse zeigten, dass der neue Fotodetektor Licht effizienter in elektrischen Strom umwandelt als eine vergleichbare Silizium-Fotodiode. Es kann auch Licht aus Bereichen von etwa 0,01 mm2 sammeln und Licht in elektrischen Strom über außergewöhnlich große Entfernungen von 0,1 nm umwandeln. Dieser Abstand ist drei Größenordnungen größer als der Energieübertragungsabstand photosynthetischer Komplexe.

Bisher wurden die meisten Polaritonen als stationäre Quasiteilchen in geschlossenen Hohlräumen mit hochreflektierenden Spiegeln oben und unten beobachtet. Die neue Arbeit enthüllte wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich Polaritonen in offenen Strukturen mit einem einzigen Spiegel ausbreiten. Das neue Gerät ermöglichte auch die ersten Messungen, wie effizient einfallende Photonen in Polaritonen umgewandelt werden können.

„Unsere Arbeit zeigt, dass Polaritonen nicht nur eine interessante Wissenschaft, sondern auch eine Goldgrube für Anwendungen sind, die noch entdeckt werden müssen“, sagte Forrest. „Geräte wie unseres bieten eine ungewöhnliche und möglicherweise einzigartige Methode, um die grundlegenden Eigenschaften von Polaritonen zu verstehen und noch unvorstellbare Möglichkeiten zur Manipulation von Licht und Ladung zu ermöglichen.“