I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di fotorilevatore ad alta efficienza ispirato ai complessi fotosintetici utilizzati dalle piante per trasformare la luce solare in energia. I fotorivelatori vengono utilizzati nelle fotocamere, nei sistemi di comunicazione ottica e in molte altre applicazioni per trasformare i fotoni in segnali elettrici.

"I nostri dispositivi combinano il trasporto a lungo raggio di energia ottica con la conversione a lungo raggio in corrente elettrica", ha affermato il leader del team di ricerca Stephen Forrest dell'Università del Michigan. "Questa disposizione, analoga a quella che si vede nelle piante, ha il potenziale per migliorare notevolmente l'efficienza di generazione di energia delle celle solari, che utilizzano dispositivi simili ai fotorilevatori per convertire la luce solare in energia".

I complessi fotosintetici che si trovano in molte piante sono costituiti da una grande regione di assorbimento della luce che fornisce energia di stato eccitato molecolare a un centro di reazione dove l'energia viene convertita in una carica. Sebbene questa configurazione sia molto efficiente, imitarla richiede il trasporto di energia a lungo raggio in un materiale organico, che si è rivelato difficile da realizzare.

Per raggiungere questo compito apparentemente impossibile, i ricercatori hanno utilizzato quasiparticelle uniche note come polaritoni. In Ottica journal, Forrest e colleghi riportano il loro nuovo rivelatore, che genera polaritoni in una pellicola sottile organica.

"Un polaritone combina uno stato eccitato molecolare con un fotone, conferendogli proprietà sia simili alla luce che alla materia che consentono il trasporto e la conversione di energia a lungo raggio", ha affermato Forrest. "Questo fotorilevatore è una delle prime dimostrazioni di un pratico dispositivo optoelettronico basato sui polaritoni."

Prendere spunto dalle piante

I ricercatori hanno immaginato il nuovo rivelatore diversi anni fa mentre cercavano modi per realizzare celle solari migliori. "Dopo aver osservato la propagazione dei polaritoni su lunghe distanze in strutture semplici come uno specchio con una pellicola organica sulla sua superficie, abbiamo pensato che sarebbe stato possibile creare un analogo fotosintetico usando i polaritoni", ha affermato Forrest. "Tuttavia, è stato abbastanza difficile capire come costruire un dispositivo del genere."

Per creare un fotorilevatore basato sui polaritoni, i ricercatori hanno dovuto progettare strutture che consentissero la propagazione dei polaritoni su lunghe distanze in un film sottile di semiconduttore organico. Dovevano anche capire come integrare un semplice rivelatore organico nella regione di propagazione in modo da produrre un'efficiente conversione da polaritone a carica.

"Abbiamo preso in prestito da strutture che avevamo progettato in precedenza per creare celle fotovoltaiche organiche efficienti", ha affermato Forrest. "È stato un po' fortuito che queste strutture consentissero una raccolta efficiente dell'energia trasportata dai polaritoni. I polaritoni conservano ancora alcuni misteri e questo è un nuovo modo di utilizzarli, quindi non eravamo sicuri che avrebbe funzionato."

Propagazione a lunga distanza

I ricercatori hanno analizzato il loro nuovo dispositivo utilizzando uno speciale microscopio piano di Fourier per osservare la propagazione del polaritone. A causa della struttura insolita del rivelatore hanno dovuto sviluppare un modo per quantificare accuratamente i risultati e inserirli nel contesto dei rivelatori convenzionali ben noti alla comunità ottica.

I risultati hanno mostrato che il nuovo fotorilevatore è più efficiente nel convertire la luce in corrente elettrica rispetto a un fotodiodo al silicio comparabile. Può anche raccogliere luce da aree di circa 0,01 mm ² e ottenere la conversione della luce in corrente elettrica su distanze eccezionalmente lunghe di 0,1 nm. Questa distanza è tre ordini maggiore della distanza di trasferimento di energia dei complessi fotosintetici.

Finora, la maggior parte dei polaritoni è stata osservata come quasiparticelle stazionarie in cavità chiuse con specchi altamente riflettenti sia in alto che in basso. Il nuovo lavoro ha rivelato importanti informazioni su come i polaritoni si propagano in strutture aperte con un singolo specchio. Il nuovo dispositivo ha anche consentito le prime misurazioni dell'efficienza con cui i fotoni incidenti possono essere convertiti in polaritoni.

"Il nostro lavoro mostra che i polaritoni, oltre ad essere una scienza interessante, sono anche una miniera d'oro di applicazioni ancora da scoprire", ha affermato Forrest. "Dispositivi come il nostro forniscono un metodo insolito, e forse unico, per comprendere le proprietà fondamentali dei polaritoni e per consentire modi ancora da immaginare per manipolare la luce e la carica". + Esplora ulteriormente

Light-infused particles go the distance in organic semiconductors