Главная » Статьи » Фотоматрицу научили вырабатывать себе энергию из солнечного света

Фотоматрицу научили вырабатывать себе энергию из солнечного света

University of Michigan

Инженеры создали фотоматрицу, которая может одновременно вырабатывать энергию из солнечного света и вести съемку с частотой до 15 кадров в секунду, сообщают разработчики в журнале IEEE Electron Device Letters.

В основе солнечных панелей и фотокамер лежат работающие по одному принципу фотодиоды, которые преобразуют свет в электрический ток. Из-за этого инженеры давно работают над созданием фотоматриц, которые могут самостоятельно вырабатывать себе энергию. В этой сфере есть два основных подхода. Первый предполагает, что для выработки энергии и съемки используется одна и та же часть матрицы. Но при этом ее приходится переключать между двумя режимами и из-за этого матрица не может снимать непрерывно или с большой частотой кадров. Камеру с таким сенсором в 2015 году создали инженеры из Колумбийского университета. Другой подход подразумевает, что на матрице создаются две отдельные зоны, которые могут работать одновременно. Но это значит, что значительную часть каждого пикселя занимает солнечная панель и это сильно снижает количество света, используемого для съемки.

Группа инженеров под руководством Ый Сик Юна (Euisik Yoon) из Мичиганского университета создала фотосенсор, в котором практически всю площадь пикселя занимает область, которая может и вырабатывать энергию и формировать изображение. Для этого инженеры разработали схему, при которой в каждом пикселе есть два диода, один под другим. В результате верхний собирает часть дырок (носителей заряда), образованных в результате попадания фотонов, и использует их в качестве сигнала для формирования изображения, а нижний собирает оставшиеся носители и использует их для выработки энергии.

Исследователи провели симуляцию процесса и выяснили, что на диод для формирования сигнала приходится 26 процентов общего дырочного тока, а на диод для добывания энергии приходится 74 процента носителей заряда, которые в других сенсорах просто не использовались бы.

Инженеры создали на основе этой схемы прототип автономной фотоматрицы с разрешением 100 на 90 пикселей и размером активной области 0,66 на 0,86 миллиметров. Они рассчитали, что матрица может вырабатывать около 30 микроватт энергии при освещении 120 килолюксов (это примерно соответствует максимальной освещенности под прямым солнцем). Затем они протестировали потребление энергии сенсором. При съемке с частотой 15 кадров в секунду оно составило 10 микроватт. Исходя из этого, а также 80-процентной эффективности стабилизатора напряжения, они предположили, что матрица может непрерывно снимать без внешних источников энергии с частотой 15 кадров в секунду при освещенности 60 килолюксов. Разработчики отмечают, что сенсор обладает самой высокой плотностью мощности среди всех аналогичных разработок.

В прошлом году исследователи создали инфракрасный датчик, который настроен на определенную длину волны и начинает работать только при обнаружении такого сигнала, практически не потребляя энергии до этого.

Григорий Копиев