{"id":23323,"date":"2024-06-30T04:50:03","date_gmt":"2024-06-30T02:50:03","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/06\/30\/un-sensore-con-efficienza-quantica-del-200\/"},"modified":"2024-06-30T04:50:03","modified_gmt":"2024-06-30T02:50:03","slug":"un-sensore-con-efficienza-quantica-del-200","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/06\/30\/un-sensore-con-efficienza-quantica-del-200\/","title":{"rendered":"Un sensore con efficienza (quantica) del 200%"},"content":{"rendered":"
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Usando la luce verde e una cella a doppio strato, un team di ricercatori dell\u2019Universit\u00e0 di Eindhoven, ha ideato un fotodiodo che ha un\u2019efficienza cos\u00ec elevata da essere paragonata alla magia di Harry Potter.<\/strong><\/p>\n

di Lisa Borreani<\/em><\/p>\n

Nel tentativo di fornire migliori condizioni di vita a una popolazione mondiale in aumento, ci troviamo ad affrontare i limiti degli attuali sistemi manifatturieri, agricoli e sanitari, che portano a un impatto ambientale e a costi economici eccessivi. Ci\u00f2 sta guidando la transizione verso nuovi paradigmi, come l\u2019industria intelligente<\/a>, l\u2019agricoltura di precisione e l\u2019assistenza sanitaria personalizzata, in cui processi e trattamenti vengono adattati attivamente sulla base di dati accurati, locali e in tempo reale provenienti dai sensori. I sensori fotonici e quantistici possono fornire la massima precisione richiesta in queste applicazioni, ma sono generalmente complessi e costosi. La sfida \u00e8 raggiungere la massima precisione in sistemi di sensori che siano anche compatti e scalabili. Per affrontarlo, combiniamo nuovi approcci basati sull\u2019integrazione fotonica ed elettronico-fotonica con l\u2019indagine dei limiti fondamentali del rilevamento, fino al livello quantistico.<\/p>\n

Lo sviluppo dei sensori<\/h2>\n

Un team di ricercatori della Eindhoven University of Technology<\/a> e TNO dell\u2019Holst Center<\/a> (Paesi Bassi) \u00e8 riuscito a realizzare fotodiodi con una resa fotoelettronica superiore al 200%<\/strong>. Nessuno avrebbe pensato che efficienze superiori al 100 percento fossero realmente possibili, se non con l\u2019utilizzo dell\u2019alchimia o di altre magie come quelle viste nei film di Harry Potter.<\/p>\n

I ricercatori hanno dimostrato che si pu\u00f2 fare e la risposta sta nel magico mondo dell\u2019efficienza quantistica <\/strong>e delle celle solari sovrapposte.<\/p>\n

Cosa sono i fotodiodi?<\/h3>\n

I fotodiodi sono dispositivi semiconduttori sensibili alla luce che producono una corrente quando assorbono fotoni da una sorgente luminosa. Sono utilizzati come sensori in una variet\u00e0 di applicazioni, tra cui per scopi medici, monitoraggio wearable, sistemi luminosi e di sorveglianza, applicazioni con l\u2019utilizzo della visione artificiale; in tutti questi settori l\u2019elevata sensibilit\u00e0 \u00e8 fondamentale.<\/p>\n

Affinch\u00e9 un fotodiodo funzioni correttamente, deve soddisfare due condizioni. In primo luogo, dovrebbe ridurre al minimo la corrente <\/strong>generata in assenza di luce, la cosiddetta corrente oscura. Minore \u00e8 la corrente oscura, pi\u00f9 sensibile \u00e8 il diodo. In secondo luogo, dovrebbe essere in grado di distinguere il livello di luce di fondo<\/strong> (il cosiddetto \u201crumore\u201d) dalla relativa luce infrarossa. Purtroppo queste due cose di solito non vanno d\u2019accordo, anzi risulta complicato soddisfare entrambe le condizioni contemporaneamente.<\/p>\n

I lavori preliminari<\/h3>\n

Come punto di partenza, il team ha lavorato su un dispositivo che combinava due tipi di celle del pannello solare, perovskite e organiche, raggiungendo un\u2019efficienza quantica del 70%. Per spingere questa cifra pi\u00f9 in alto, \u00e8 stata introdotta un\u2019ulteriore luce verde. Il sensore \u00e8 stato inoltre ottimizzato per migliorare la sua capacit\u00e0 di filtrare diversi tipi di luce e di non rispondere affatto all\u2019assenza di luce. Ci\u00f2 ha spinto l\u2019efficienza quantistica del fotodiodo oltre il 200%, anche se attualmente non \u00e8 ancora chiaro esattamente per quale motivo si sta verificando tale aumento.<\/p>\n

Ren\u00e9 Janssen, professore che guida il gruppo di ricerca interdipartimentale \u201cMolecular Materials and Nanosystems\u201d presso l\u2019Universit\u00e0 di Tecnologia di Eindhoven, fa parte dei dipartimenti di ingegneria chimica e chimica, nonch\u00e9 di fisica applicata, \u00e8 il coautore dell\u2019articolo relativo a questi fotodiodi, su Science Advances. Il professor Janssen spiega. \u201cLo so, sembra incredibile. Ma qui non stiamo parlando della normale efficienza energetica. Ci\u00f2 che conta nel mondo dei fotodiodi \u00e8 l\u2019efficienza quantistica. Invece della quantit\u00e0 totale di energia solare, conta il numero di fotoni che il diodo converte in elettroni. Lo paragono sempre ai giorni in cui avevamo ancora fiorini e lire. Se un turista olandese avesse ricevuto solo 100 lire per i suoi 100 fiorini durante la sua vacanza in Italia, si sarebbe sentito un po\u2019 a corto di soldi. Ma poich\u00e9 in termini quantistici ogni fiorino conta come una lira, hanno comunque raggiunto un\u2019efficienza del 100 per cento. Questo vale anche per i fotodiodi: il diodo migliore e\u2019 quello in grado di rilevare segnali luminosi deboli.\u201d<\/em><\/p>\n

La ricerca<\/h2>\n

Quattro anni fa, Riccardo Ollearo, uno degli studenti della facolt\u00e0 di Ingegneria, dottorato del prof. Janssen e ricercatore principale del progetto, ha deciso di dedicarsi ai fotodiodi. Nella sua ricerca ha unito le forze con il team di ricercatori che lavora presso l\u2019Holst Center, un istituto di ricerca specializzato in tecnologie di sensori wireless e stampati; Ollearo ha costruito un cosiddetto diodo tandem, un dispositivo che combina sia perovskite che celle fotovoltaiche organiche.<\/p>\n

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Il fotodiodo utilizzato nell\u2019esperimento (Foto: Bart van Overbeeke)<\/figcaption><\/figure>\n

Combinando questi due strati \u2013 una tecnica sempre pi\u00f9 utilizzata anche nelle celle solari di ultima generazione \u2013 \u00e8 stato in grado di ottimizzare entrambe le condizioni, raggiungendo un\u2019efficienza del 70%.<\/p>\n

La struttura \u00e8 progettata per essere otticamente autofiltrante, con il diodo anteriore che assorbe una lunghezza d\u2019onda inferiore a ~650 nm, impedendo a tutto tranne che al vicino infrarosso di raggiungere l\u2019eterogiunzione di massa a banda proibita posteriore.<\/p>\n

Per evitare che la cella di perovskite anteriore contribuisca alla fotocorrente, tra i due strati fotosensibili c\u2019\u00e8 uno strato elettricamente attivo otticamente inattivo (costituito dal polimero \u201cPFN-Br\u201d) che blocca selettivamente gli elettroni generati nel film di perovskite durante il passaggio buchi dall\u2019eterogiunzione di massa organica a banda stretta, rendendo la cellula sensibile solo alle lunghezze d\u2019onda maggiori.<\/p>\n

Nel complesso, la struttura ha un\u2019efficienza quantica esterna (EQE) con un picco del 70% a 850 nm (larghezza intera a met\u00e0 max <100 nm). Tuttavia, l\u2019EQE, per quanto riguarda il vicino infrarosso, sale al 220% se anche la cella \u00e8 illuminata con luce verde (60 mW\/cm2<\/sup> a 540 nm).<\/p>\n

L\u2019elevata efficienza dei fotodiodi<\/h3>\n

Sebbene il meccanismo di questo guadagno non sia dimostrato, il team ritiene sia dovuto all\u2019illuminazione verde che porta gli elettroni a raccolgliersi nel film di perovskite, e ad essere poi controllati nella barriera PFN-Br quando i fori generati nel vicino infrarosso sul lato di giunzione della massa organica abbassa temporaneamente l\u2019energia della barriera.<\/p>\n

\u201cImpressionante, ma non abbastanza\u201d<\/em>, afferma l\u2019ambizioso Ollearo, giovane ricercatore italiano. \u201cHo deciso di verificare se potevo aumentare ulteriormente l\u2019efficienza con l\u2019aiuto della luce verde. Sapevo da ricerche precedenti che l\u2019illuminazione di celle solari con luce aggiuntiva pu\u00f2 modificare la loro efficienza quantica e, in alcuni casi, migliorarla. Con mia sorpresa, questo ha funzionato meglio del previsto nel migliorare la sensibilit\u00e0 del fotodiodo. Siamo stati in grado di aumentare l\u2019efficienza della luce nel vicino infrarosso di oltre il 200%!\u201d<\/em><\/p>\n

I ricercatori non hanno ancora tutte le certezze, sebbene abbiano escogitato una teoria che potrebbe spiegare l\u2019effetto.<\/p>\n

\u201cPensiamo che la luce verde aggiuntiva porti a un accumulo di elettroni nello strato di perovskite. Questo agisce come un serbatoio di cariche che viene rilasciato quando i fotoni infrarossi vengono assorbiti nello strato organico\u201d<\/em>, dice Ollearo. \u201cIn altre parole, ogni fotone infrarosso che passa e viene convertito in un elettrone, riceve compagnia da un elettrone bonus, portando a un\u2019efficienza del 200 per cento o pi\u00f9. Immaginalo come ottenere due lire per il tuo fiorino, invece di una!<\/em>\u201c<\/p>\n

Ollearo ha testato il fotodiodo, che \u00e8 cento volte pi\u00f9 sottile di un foglio di carta da giornale e adatto per l\u2019uso in dispositivi flessibili. \u201cVolevamo vedere se il dispositivo captasse segnali sottili, come il battito cardiaco o la frequenza respiratoria di un essere umano in un ambiente con una luce di fondo realistica. Abbiamo optato per uno scenario indoor, durante una giornata di sole con le tende parzialmente chiuse. E ha funzionato!\u201d<\/em><\/p>\n

Le potenzialit\u00e0 del fotodiodo<\/h3>\n

Tenendo il dispositivo a 130 cm da un dito, i ricercatori sono stati in grado di rilevare piccoli cambiamenti nella quantit\u00e0 di luce infrarossa riflessa nel diodo. Questi cambiamenti risultano essere un\u2019indicazione corretta dei cambiamenti nella pressione sanguigna nelle vene di una persona, che a loro volta indicano la frequenza cardiaca. Puntando il dispositivo verso il torace della persona, sono stati in grado di misurare la frequenza respiratoria dai leggeri movimenti del torace.<\/p>\n

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Dimostrazione delle misurazioni dei segni vitali a distanza, con un monitoraggio wireless costante.
\n(A)\tIllustrazione schematica dell\u2019applicazione del fotodiodo simile a un tandem; simulazione in un letto d\u2019ospedale per il monitoraggio della frequenza cardiaca e respiratoria a distanza di un paziente durante il sonno\/riposo. La configurazione wireless ottica non invasiva che pu\u00f2 essere integrata nelle apparecchiature dell\u2019ospedale e massimizzare il comfort del paziente.
\n(B)\tSegnale PPG normalizzato misurato a diverse distanze PD-dito utilizzando luce NIR (850 nm).
\n(C)\tSegnale della frequenza respiratoria normalizzata misurata attraverso l\u2019abbigliamento a diverse distanze PD-torace utilizzando la luce NIR (850 nm).
\n(D)\tConfronto dei segnali PPG misurati a distanza (d=50cm) nelle stesse condizioni sperimentali utilizzando il nostro dispositivo simile ad un tandem e un Si PD commerciale a banda larga senza e con filtri ottici da 780 e 830 nm, per sopprimere il rumore ottico ambientale.<\/figcaption><\/figure>\n

Con la pubblicazione dell\u2019articolo su Science Advances, il lavoro di Ollearo \u00e8 quasi terminato.<\/p>\n

\u201cLe possibili applicazioni vanno dai veicoli a guida semi-autonoma ai sistemi per la realt\u00e0 aumentata e virtuale, dai dispositivi per case smart fino all\u2019autenticazione biometrica. Inoltre \u2013 prosegue il ricercatore \u2013 il nostro sensore \u00e8 in grado di rilevare segnali di luce molto piccoli anche a distanze elevate: abbiamo dimostrato, per esempio, che pu\u00f2 monitorare in modo non invasivo il battito cardiaco e la respirazione di una persona da oltre 1,3 metri\u201d<\/em>.<\/p>\n

Quindi, la ricerca si ferma qui?<\/h3>\n

\u201cNo, certamente no. Vogliamo vedere se possiamo migliorare ulteriormente il dispositivo, ad esempio rendendolo pi\u00f9 veloce\u201d<\/em>, afferma Janssen. \u201cVogliamo anche valutare se possiamo testare clinicamente il dispositivo, ad esempio in collaborazione con il progetto FORSEE\u201d<\/em>.<\/p>\n

Il progetto FORSEE, guidato dalla ricercatrice TU\/e Sveta Zinger e in collaborazione con il Catharina Hospital di Eindhoven, sta sviluppando una telecamera intelligente in grado di osservare la frequenza cardiaca e respiratoria di un paziente. Il monitoraggio remoto, senza alcun contatto con la pelle del paziente, sarebbe pi\u00f9 facile da configurare, pi\u00f9 igienico e pi\u00f9 comodo.<\/p>\n

Speriamo che i ricercatori continuino a dimostrare che non \u00e8 necessario essere un Harry Potter per realizzare incredibili imprese scientifiche!<\/p>\n<\/div>\n

L’articolo Un sensore con efficienza (quantica) del 200%<\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

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Autore: Roberta Falco<\/p>\n

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