Engenheiros criam um sensor de luz 'impossível' com eficiência de 200%: WebCuriosos
Os cientistas produziram um sensor que converte luz em sinal elétrico com uma eficiência surpreendente de 200% – um número aparentemente impossível que foi alcançado através da estranheza da física quântica.
Tamanha é a sensibilidade do dispositivo conhecido como fotodiodo que a equipe responsável por sua inovação afirma que ele poderia ser potencialmente usado em tecnologia que monitora os sinais vitais de uma pessoa (incluindo batimentos cardíacos ou frequência respiratória) sem que nada precise ser inserido ou mesmo conectado ao corpo.
A eficiência do fotodiodo é normalmente medida como o número de partículas de luz disponíveis que ele pode converter em sinais elétricos. Aqui, os cientistas estão falando sobre algo intimamente relacionado, mas um pouco mais específico: o rendimento de fotoelétrons, ou o número de elétrons gerados pelos fótons que atingem o sensor.
O rendimento de fotoelétrons de um fotodiodo é determinado por sua eficiência quântica – a capacidade essencial de um material de produzir partículas portadoras de carga em um nível fundamental, e não pela quantidade de energia elétrica produzida.
“[T]Isso parece incrível, mas não estamos falando de eficiência energética normal aqui”, diz o engenheiro químico Rene Janssen, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda.
“O que conta no mundo dos fotodiodos é a eficiência quântica. Em vez da quantidade total de energia solar, conta o número de fótons que o diodo converte em elétrons.”
Como ponto de partida, a equipe trabalhou em um dispositivo que combinava dois tipos de células de painel solar, perovskita e orgânica. Ao empilhar células de forma que a luz que é perdida por uma camada seja captada por outra, os pesquisadores alcançaram 70% de eficiência quântica.
Para aumentar este número, foi introduzida luz verde adicional. O sensor também foi otimizado para melhorar sua capacidade de filtrar diferentes tipos de luz e responder à ausência de luz. Isto elevou a eficiência quântica do fotodiodo para mais de 200%, embora neste estágio não esteja claro exatamente por que esse aumento está acontecendo.
A chave pode ser a forma como os fotodiodos produzem uma corrente. Os fótons excitam os elétrons no material do fotodiodo, fazendo com que eles migrem e criem um acúmulo de carga. Os investigadores levantam a hipótese de que a luz verde pode libertar electrões numa camada, que são convertidos em corrente apenas quando os fotões atingem uma camada diferente.
“Achamos que a luz verde adicional leva ao acúmulo de elétrons na camada de perovskita”, diz o engenheiro químico Riccardo Ollearo, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven. “Isso atua como um reservatório de cargas que é liberado quando os fótons infravermelhos são absorvidos pela camada orgânica.”
“Em outras palavras, cada fóton infravermelho que passa e é convertido em um elétron recebe a companhia de um elétron bônus, levando a uma eficiência de 200% ou mais.”
Um fotodiodo mais eficiente é também um fotodiodo mais sensível – aquele que é mais capaz de observar mudanças muito pequenas na luz a distâncias maiores. Isso nos leva de volta à medição dos batimentos cardíacos e dos níveis de respiração.
Usando seu fotodiodo superfino, cem vezes mais fino que uma folha de jornal, os pesquisadores mediram pequenas mudanças na luz infravermelha refletida de um dedo a uma distância de 130 centímetros (51,2 polegadas). Foi demonstrado que isso corresponde à pressão arterial e à frequência cardíaca, da mesma forma que um sensor de smartwatch, mas operando sobre uma mesa.
Com uma configuração semelhante, a equipe mediu a frequência respiratória a partir de leves movimentos torácicos. Há potencial aqui para todos os tipos de monitoramento e fins médicos, se a tecnologia puder ser desenvolvida com sucesso desde o estágio de laboratório.
“Queremos ver se podemos melhorar ainda mais o dispositivo, por exemplo, tornando-o mais rápido”, diz Janssen. “Também queremos explorar se podemos testar clinicamente o dispositivo.”
A pesquisa foi publicada em Avanços da Ciência.
