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受植物光合作用启发的新型光电探测器

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发表时间:2023-11-20 10:00

光电探测器也被称为光敏器,将光能转变为电信号。多年来,科学家们一直设想开发新型检测器,以发展卓越的太阳能电池。最近,他们设计了一种光探测器,其灵感来自于植物的光合作用复合物,该复合物将太阳光转化为能量。这种装置是基于有机半导体薄膜中长距离的偏振子传播。

光合作用和能量的长距离传输

光合作用是一个复杂的生理过程,涉及发色团对太阳光子的吸收,将色素分子的电子从基态转化为激发态。

植物的光合作用复合体由大型光吸收区组成,其主要功能是将能量从分子激发态输送到反应中心(RC),在那里能量被转化为电能。

色素团分子被安排在一个扩展的天线复合体(AC)中,最终将能量传递给RC。在产生激子(即电子激发态)之后,反应中心将激子分离成一个电子和一个空穴。自由能最终被转化为化学能。

光合复合体中的激发能量是通过近场傅氏分子间跳动转移的,由于色团分子的特殊排序,这种跳动是高度精确的。

传统的光电探测器装置的局限性

与人工AC/RC系统相关的主要限制是材料无序,在几个分子跳动后就停止了电子传输。这个缺点已经通过使用定制的分子结构组件得到解决。尽管如此,这种装置的激子传输距离不足,限制了其实际应用。

通过在光子结构中实现光子的分子激子模式,形成新的量子力学准粒子,称为激子-极子,解决了与增强长距离能量传输有关的问题。

传统的极子结构使用平面微腔,它利用埋在分布式布拉格反射器(DBR)或金属镜面之间的光学活性层。然而,相对较短的寿命和较低的群速度抑制了它们在大距离上的电子传播。

截断的全介质光子结构通过非耗散性的布洛赫表面波(BSW)支持高群速度的能量传播。

BSW极子由于其小的有效质量和固有的光子成分的脱域,对与分子固体中的局部缺陷的相互作用具有免疫力。这些结构特征使得高效、长程和高速的能量传输成为可能。因此,偏振子已被确定为模仿天然交流电的可能途径,不需要遵循精确的色团排列来支持能量传输并消除任何能量损失。

光合作用复合体是如何激发新型光电探测器的发展的?

与传统的有机半导体太阳能电池的排列方式相比,光合复合体具有卓越的AC/RC结构,这提高了供体-受体异质结(D-A HJ)处电荷转移(CT)状态的发射量子效率。在人工装置中模仿光合作用复合物的机制是一项艰巨的任务,因为它需要在有机材料中实现长距离的能量传输。

密歇根大学的斯蒂芬-福雷斯特博士和研究小组负责人表示,他们的装置结合了光能的长程传输和长程转换为电流。长距离偏振子介导的光检测在室温下被证明。

该光电探测器是通过模仿光合作用过程而设计的,即通过强耦合的有机激子-BSW人工交流电和有机D-A HJ RC的长程能量传输的结合。这个系统可以有效地将偏振子转换回CT激子,它将被分离成电子和空穴,并最终在外部电路中被检测到。

尽管这个人工AC/RC系统与自然光合结构相似,但它也有一些不同之处。例如,与天然交流系统不同,该人工装置中的能量传输是各向同性的。

新开发的光检测器的特点

光电探测器的设计使太阳能电池的发电效率得到了极大的提高。该光电探测器是基于偏振子的光电器件的首次展示之一。该设计提供了关于偏振子如何在具有单面镜的开放结构中传播的见解。

这项研究为研究偏振子的进一步应用开辟了一条新的道路。

该装置通过一个特殊的傅里叶平面显微镜进行分析,以评估偏振子的传播。由于其不寻常的结构,研究小组不得不开发一种新的方法来准确量化其结果,以便与传统探测器相媲美。值得注意的是,新开发的光电探测器比硅光电二极管更有效地将光转换为电流。

该光电探测器可以从大约0.01平方毫米的区域收集光线,并在0.1纳米的显著长距离内将其转换为电能。这个距离几乎是光合作用复合体能量传输距离的三倍。

参考资料

Liu, B. et al. (2022) Photocurrent generation following long range propagation of organic exciton-polaritons. Optica, 9(9).

New photodetector design inspired by plant photosynthesis. (2022) [Online] Available at:

Photosynthesis copycat may improve solar cells. (2022) [Online] Available at:

Plant-Based Strategy for Harvesting Light. (2022) [Online] Available at:

Written by

Dr. Priyom Bose

文章分类: 光电百科
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