Investigadores de la Universidad de Tecnología de Eindhoven y del centro de investigación TNO en Holst han desarrollado fotodiodos con un rendimiento superior al 200%, gracias a la combinación de tecnologías de células solares apiladas.
«Lo sé, esto suena increíble. Pero aquí no estamos hablando de la eficiencia energética normal. Lo que cuenta en el mundo de los fotodiodos es la eficiencia cuántica. En lugar de la cantidad total de energía solar, cuenta el número de fotones que el diodo convierte en electrones”, explica René Janssen, profesor de la Universidad Tecnológica de Eindhoven.
Los fotodiodos son dispositivos semiconductores sensibles a la luz que producen una corriente eléctrica al absorber fotones de una fuente de luz. Estos dispositivos se utilizan como sensores en una variedad de aplicaciones, incluyendo propósitos médicos, monitoreo vestible, comunicación por luz visible, sistemas de vigilancia y visión por computadora. En todos estos ámbitos, la alta sensibilidad es clave.
Para que un fotodiodo funcione correctamente, debe cumplir dos condiciones: minimizar la corriente que se genera en ausencia de luz (la llamada corriente oscura) y distinguir el nivel de luz de fondo (‘el ruido’) del infrarrojo relevante. A menudo, estas dos condiciones no se cumplen juntas.
El equipo de investigación construyó un fotodiodo en tándem, un dispositivo que combina células solares de perovskita y orgánicas. La combinación de estas dos capas, una técnica que también se utiliza cada vez más en células solares de última generación, les permitió optimizar ambas condiciones, alcanzando una eficiencia del 70%. El investigador de doctorado Riccardo Ollearo, uno de los estudiantes de doctorado de Janssen y autor principal del artículo, decidió ver si podía aumentar aún más la eficiencia del dispositivo mediante la ayuda de la luz verde.
El investigador descubrió que al iluminar células solares con luz adicional se puede modificar su eficiencia cuántica, y en algunos casos aumentarla. Para su sorpresa, esto funcionó incluso mejor de lo esperado en la mejora de la sensibilidad del fotodiodo. Los investigadores lograron aumentar la eficiencia para la luz infrarroja cercana a más del 200%.
Hasta el momento, los investigadores no saben exactamente cómo funciona esto, aunque han propuesto una teoría que podría explicar el efecto. Piensan que la luz verde adicional conduce a la acumulación de electrones en la capa de perovskita. Esto actúa como un depósito de cargas que se libera cuando se absorben fotones infrarrojos en la capa orgánica. Cada fotón infrarrojo que atraviesa y se convierte en un electrón recibe la compañía de un electrón de bonificación, lo que lleva a una eficiencia del 200% o más.
Los investigadores probaron el fotodiodo, que es cien veces más delgado que una hoja de periódico y adecuado para su uso en dispositivos flexibles, en el laboratorio. Descubrieron que el dispositivo podía detectar cambios sutiles, como la frecuencia cardíaca o respiratoria de una persona, en un entorno con luz de fondo realista. Optaron por un escenario interior, durante un día soleado con las cortinas parcialmente cerradas.
Al mantener el dispositivo a 130 cm de un dedo, los investigadores pudieron detectar cambios minúsculas en la cantidad de luz infrarroja que se reflejaba de nuevo en el diodo. Estos cambios resultan ser una indicación correcta de los cambios en la presión arterial en las venas de una persona, lo que a su vez indica la frecuencia cardíaca. Al apuntar el dispositivo al pecho de la persona, pudieron medir la velocidad de respiración de los movimientos de luz en el tórax.
Con la publicación del artículo en Science Advances, el trabajo de Ollearo está prácticamente terminado. Aun así, el equipo de investigación quiere ver si puede mejorar aún más el dispositivo, por ejemplo, haciéndolo más rápido. También quieren probar clínicamente el dispositivo en colaboración con el proyecto FORSEE. Este proyecto, dirigido por la investigadora de TU/e Sveta Zinger y en colaboración con el Hospital Catharina de Eindhoven, está desarrollando una cámara inteligente que puede observar las frecuencias cardíacas y respiratoria de un paciente.
Créditos imagen de portada: TU/e | Bart van Overbeeke
