这款“哈利波特”光传感器实现了200%的神奇高效率

诸平

Fig. 1 Researcher Riccardo Ollearo shows how the photodiode (right) picks up the signal from his finger, allowing him to see how fast his heart is beating on the screen (left). (Photo: Bart van Overbeeke)

Fig. 2 The photodiode used in the experiment (Photo: Bart van Overbeeke)

Fig. 3 In the left image we see the set-up in which the new tandem photodiode can be used to monitor the heart and respiration rates of a person. The right images show the detected heart and respiration signals recorded with the photodiode at a distance of 130 cm.

据荷兰埃因霍温科技大学（Eindhoven University of Technology简称UT/e）2023年2月17日报道，博士生里卡尔多· 奥利罗（Riccardo Ollearo）使用绿光和双层电池设计出一种灵敏度是许多人梦寐以求的光电二极管（photodiode）。图1是里卡尔多· 奥利罗展示了光电二极管(图1右侧)如何从他的手指接收信号，让他在屏幕上看到他的心跳有多快(图1左侧)。

具有多个堆叠电池的太阳能电池板目前正在打破记录。值得注意的是，来自埃因霍温科技大学和荷兰埃因霍温市高新技术园区霍尔斯特中心的荷兰应用科学研究组织（TNO at Holst Centre, High Tech Campus, Eindhoven, Netherlands）以及荷兰基础能源研究所（Dutch Institute for Fundamental Energy Research, De Zaale, Eindhoven, Netherlands）的一组研究人员，现在已经设法制造出光电二极管——基于类似的技术——光电子产率超过200%（This ‘Harry Potter’ light sensor achieves magically high efficiency of 200 per cent）。你会认为超过100%的效率只有使用炼金术(alchemy)和其他类似哈利波特的魔法(Harry Potter-like wizardry)才有可能。但这是可以做到的，答案就在量子效率和堆叠式太阳能电池的神奇世界里。相关研究结果于2023年2月17日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Riccardo Ollearo, Xiao Ma, Hylke B. Akkerman, Marco Fattori, Matthew J. Dyson, Albert J. J. M. Van Breemen, Stefan C. J. Meskers, Wijnand Dijkstra, René A. J. Janssen, Gerwin H. Gelinck. Vitality surveillance at distance using thin-film tandem-like narrowband near-infrared photodiodes with light-enhanced responsivity. Science Advances, 17 Feb 2023. Vol 9, Issue 7. DOI: 10.1126/sciadv.adf9861. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9861

TU/e教授、此论文的通讯作者雷内·詹森（René Janssen）解释说：“我知道，这听起来不可思议。但是，我们在这里不是在谈论正常的能源效率。在光电二极管领域，重要的是量子效率。它计算的不是太阳能总量，而是二极管转换为电子的光子数。

我总是把它比作我们有荷兰盾（guilders，荷兰货币）和里拉（lira，意大利货币）的日子。如果一位来自荷兰的游客在意大利度假时花费100荷兰盾，但是只得到100意大利里拉的服务，他们可能会觉得有点亏本，因为荷兰盾与意大利里拉的差别太大了，相差1000多倍！1荷兰盾 = 1012.9131意大利里拉（1.00 Dutch Guilder = 1,012.9131 Italian Lire. Dutch Guilder to Italian Lira conversion — Last updated Feb 19, 2023）。但由于在量子方面，每一荷兰盾都算作一里拉，他们仍然实现了100%的效率。这也适用于光电二极管：二极管检测微弱光信号的能力越好，其效率就越高。”

暗电流(Dark current)

光电二极管是光敏半导体器件，当它们从光源吸收光子时会产生电流。它们在各种应用中用作传感器，包括医疗用途、可穿戴监控、光通信、监控系统和机器视觉。在所有这些领域中，高灵敏度是关键。

光电二极管要正常工作，必须满足两个条件。首先，它应该尽量减少在没有光的情况下产生的电流，即所谓的暗电流（dark current）。暗电流越小，二极管越灵敏。其次，它应该能够从相关的红外光中区分出背景光（噪声）的水平。不幸的是，相反，这两件事通常不会同时发生。在此实验中使用的光电二极管见图2所示。

串联（Tandem）

四年前，雷内·詹森的博士生之一、该论文的主要作者里卡尔多· 奥利罗（Riccardo Ollearo）着手解决这个难题。在他的研究中，他与霍尔斯特中心（Holst Centre）的光电探测器团队合作，霍尔斯特中心是一家专门研究无线和印刷传感器技术的研究所，里卡尔多· 奥利罗制造了一种所谓的串联二极管，这是一种结合了钙钛矿和有机光伏电池的装置。

结合这两层——这种技术也越来越多地用于最先进的太阳能电池——他能够优化这两种条件，达到70%的效率。

“令人印象深刻，但还不够”，来自意大利的雄心勃勃的年轻研究者卡尔多· 奥利罗说，“我决定看看能否在绿光的帮助下进一步提高效率。我从早期的研究中了解到，用额外的光照射太阳能电池可以改变它们的量子效率，并且在某些情况下可以提高它。令我惊讶的是，这在提高光电二极管灵敏度方面的效果甚至比预期的还要好。我们能够将近红外光的效率提高到200%以上！”

神秘（Mystery）

到目前为止，研究人员仍然不知道这是如何工作的，尽管他们已经提出了一个可以解释这种影响的理论。

里卡尔多· 奥利罗说：“我们认为额外的绿光会导致钙钛矿层中电子的积累。当红外光子被有机层吸收时，它就像电荷库一样被释放。换句话说，每一个红外光子通过并转化为电子，都会得到额外电子的陪伴，从而使效率达到200%或更高。把它想象成你的一荷兰盾兑换得到两里拉，而不是一里拉！”

上述在图3（Fig. 3）左图中，我们看到了新串联光电二极管可用于监测人的心率和呼吸率的装置。右图显示了在130 cm的距离处用光电二极管记录的检测到的心脏和呼吸信号。

测试二极管（Putting the diode to the test）

里卡尔多· 奥利罗在实验室中测试了这种光电二极管，它的厚度是一张新闻纸的100倍，适用于柔性设备。“我们想看看该设备是否可以在具有逼真的背景光的环境中接收细微信号，例如人类的心率或呼吸率。我们选择了一个室内场景，在阳光明媚的日子里，窗帘部分关闭。它成功了！

将设备放在距离手指130 cm的地方，研究人员能够检测到反射回二极管的红外光量的微小变化。这些变化被证明是一个人静脉血压变化的正确指示，而这反过来又指示了心率。当将该设备指向人的胸部时，他们能够测量胸部轻微运动的呼吸率（见图3所示）”。

未来（Future）

随着这篇论文在《科学进展》上的发表，里卡尔多· 奥利罗的工作几乎完成了。他将于2023年4月下旬答辩他的论文研究。那么，此研究会到此为止了吗？

“不，当然不是。”雷内·詹森教授说，“我们想看看是否可以进一步改进设备，例如让它更快。我们还想探索我们是否可以对该设备进行临床测试，例如与 FORSEE 项目（FORSEE project）合作。”

由TU/e研究者斯韦塔·辛格尔（Sveta Zinger）领导并与埃因霍温的凯瑟琳娜医院（Catharina Hospital in Eindhoven）合作的FORSEE项目正在开发一种可以观察患者心率和呼吸率的智能相机（developing an intelligent camera）。

让我们期望TU/e和荷兰应用科学研究组织（TNO）的研究人员继续证明你不需要成为哈利·波特（Harry Potter）也能取得惊人的科学成就！

该研究获得了荷兰教育、文化和科学部重力计划{ Ministry of Education, Culture and Science / Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen (Gravity program 024.001.035)}和荷兰科学研究组织通过斯宾诺莎基金(Netherlands Organization for Scientific Research via a Spinoza grant / Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek: Spinoza)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Remote measurement of vital sign parameters like heartbeat and respiration rate represents a compelling challenge in monitoring an individual’s health in a noninvasive way. This could be achieved by large field-of-view, easy-to-integrate unobtrusive sensors, such as large-area thin-film photodiodes. At long distances, however, discriminating weak light signals from background disturbance demands superior near-infrared (NIR) sensitivity and optical noise tolerance. Here, we report an inherently narrowband solution–processed, thin-film photodiode with ultrahigh and controllable NIR responsivity based on a tandem-like perovskite-organic architecture. The device has low dark currents (<10⁻⁶ mA cm⁻²), linear dynamic range >150 dB, and operational stability over time (>8 hours). With a narrowband quantum efficiency that can exceed 200% at 850 nm and intrinsic filtering of other wavelengths to limit optical noise, the device exhibits higher tolerance to background light than optically filtered silicon-based sensors. We demonstrate its potential in remote monitoring by measuring the heart rate and respiration rate from distances up to 130 cm in reflection.