将非晶硅太阳能电池改造为光电折射气体传感器

据麦姆斯咨询报道，近日，由埃及米尼亚大学（Minia University）、西班牙马德里大学（University Complutense of Madrid）、阿尔卡拉大学（University of Alcalá）、胡安卡洛斯国王大学（University Rey Juan Carlos）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Optoelectronic refractometric sensing device for gases based on dielectric bow-ties and amorphous silicon solar cells”的最新论文，通过添加介电蝴蝶结形谐振结构，研究团队将非晶硅太阳能电池改造为光电折射气体传感器。

当介电蝴蝶结形结构由SiO₂制成时，提出的气体传感器的灵敏度为2.4×10⁴（mA/W）/RIU，品质因数FOM=107RIU⁻¹，这项研究成果为将等离子体折射传感器纳入更简单、更紧凑的设计中奠定了基础。

近三十年来，基于等离子体效应的光学传感已经在许多领域得到了应用。该技术已被证明可被用于材料鉴定、食品质量保障、比色法、环境质量测试或生物传感等应用。专注于环境应用，需要高分辨率和高灵敏度器件来检测极少量的大气污染物，如碳氢化合物、挥发性有机化合物（VOC）、有害微生物等。

空气质量和成分的监测可以通过测量其折射率来实现，这也取决于其他物理参数（温度和压力）和大气的化学成分（湿度、天然或人造样本的存在）。因此，折射传感器可以检查某些预设条件是否满足，或者已知样本的浓度是否改变。

由于其狭窄的选择性响应，基于表面等离子体共振（SPR）的光电器件是环境监测和传感的解决方案之一。该技术可被应用于气体传感、折射率传感和化学传感。它们也可以包含在多功能和多参数传感器中。等离子体传感器可以从角度、光谱和光电三个方面进行解调。

当使用等离子体响应的角度依赖性时，该系统通常需要移动部件和高精度测角仪或昂贵的集成读出系统。光谱解调也是如此：它需要在照明和/或探测臂中使用高分辨率单色仪。纯光电解调方法得益于传感器本身传递的电信号，而不需要移动部件和/或单色仪。这一事实简化了解调子系统，使传感器更紧凑、更可靠。

太阳能电池可以被视为一种已经制造好的低成本光探测器。尽管它被设计为宽光谱光伏探测器，但它可以很容易地通过纳米结构超构表面产生的SPR激发而进行选择性响应。

作为一个整体，这个定制器件成为了一个自供电的光电传感器。有机和无机薄膜太阳能电池是低成本、轻量和紧凑型传感器件的最佳选择。其中，氢化非晶硅（aSiH）电池是一种采用多种、无毒和稳定的材料的商用器件，并且价格相当实惠。

在本论文中，基于氢化非晶硅（aSiH），通过添加介电蝴蝶结形谐振结构，研究团队将其改造为以光电解调的折射气体传感器。铟透明氧化物顶部电极被薄金属层取代，以选择性地防止光直接传输到电池的有源层。然后，将一介电蝴蝶结形结构阵列置于该电极的顶部，以通过表面等离子体共振激活光学吸收。

整个器件暴露于被测分析物（周围介质）中。他们选择了三种不同的低、中和高折射率的介电材料作为蝴蝶结形结构，即氟化镁（MgF₂）、二氧化硅（SiO₂）和氮化铝（AlN）已被测试作为SPR激发的耦合结构。通过优化这种结构的几何参数，他们实现了读出/短路电流的最大化。

该设计针对气体测量应用进行了定制，其折射率比1略高约10⁻⁴。他们的分析表明，当介电蝴蝶结形结构由SiO₂制成时，提出的光电折射气体传感器的超高灵敏度为2.4×10⁴（mA/W）/RIU，品质因数FOM=107RIU⁻¹。

与先前的文献报道相比，其性能具有竞争力，而且还具有可以规避移动部件和光谱解调元件的额外优势。

图1（a）传统和（b）提出的改造设计的aSiH薄膜太阳能电池的层状结构
 

图2 本论文提出的光电折射气体传感器设计的三维示意图

图3 光电折射气体传感器的性能

综上所述，研究团队提出的设计为利用光伏技术和超构表面的优势，将等离子体折射传感器纳入更简单、更紧凑的设计中奠定了基础。

论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

审核编辑：刘清