受植物光合作用启发的光电探测器，为大规模人工光合系统铺平道路
2022-09-09 08:49:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，美国密歇根大学（University of Michigan）开发出一种新型高效光电探测器设计，其灵感来自植物中负责光合作用的结构。据项目研发团队称，该探测器可能为集成有机光子和光电器件的大规模人工光合系统铺平道路。上述研究工作发表在Optica期刊上，研究成果还指出了极化子（结合分子激发态和光子的准粒子）的新兴实际应用。

自然的光系统和极化子器件： (a) 由天线色素和反应中心分子组成的光系统示意图；(b) 导致光生成的步骤的说明。(c) 极化子器件结构示意图。(d) 显微镜图像显示的器件俯视图，包括极化子天线和反应中心。

在分子水平上，许多植物的光合作用涉及将处于电子激发态的分子从大的光吸收区域传输到反应中心，并将能量转换为电荷。在人造结构中重建该过程需要在有机材料中进行高效的能量传输，这已被证明难以实现。

“科研人员已经做出了许多努力来模拟使用有机材料的自然光合作用。”该团队在其论文中指出，“然而，由于材料无序导致的短程能量传输阻碍了他们的成功。”

先前对极化子的研究，包括其在全光学数据处理和能够按需产生单光子的器件中的潜在价值。密歇根大学团队在寻找制造更好太阳能电池的方法时曾考虑过极化子。密歇根大学Stephen Forrest说：“在观察了简单结构中的长距离极化子传输之后，我们认为有可能使用极化子制作光合作用模拟物。然而，很难弄清楚如何设计这样的器件。此次研发出的光电探测器是基于极化子的实用光电器件的首批演示之一。”

该研究项目设计的器件允许极化子在有机半导体薄膜中长距离传输，同时还将一个简单的有机探测器集成到传输区域中，以产生高效的极化子到电荷的转换。最终的架构涉及选定的薄膜材料，包括集成在由多层二氧化硅和氮化硅形成的分布式布拉格反射器（DBR）上的40纳米厚的四苯基二苯并四氟乙烯（DBP）和三氧化钼层。

“我们借鉴了以前设计用于制造高效有机光伏电池的结构。”Stephen Forrest说。“该结构可以有效地收集极化子携带的能量——这有点幸运成分。极化子仍然有一些神秘之处，这是一种使用它们的新方法，所以当时我们不确定其是否会有效。”

测试表明，基于极化子的新型光电探测器在将光转换为电流方面比同类硅光电二极管更有效，从0.01平方毫米的区域收集光，并在0.1纳米的超长距离内实现光到电流的转换——比光合复合物的能量传输距离大三个数量级。

极化子器件的光电流密度-电压特性、响应度和EQE

“我们的工作表明，极化子除了是有趣的科学外，也是尚未发现的应用金矿。”Stephen Forrest表示，“像我们设计的器件提供了一种不寻常的、可能是独特的方法来理解极化子的基本特性，并实现了尚未想象的操纵光和电荷的方法。”

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