Was ist Quanteneffizienz?
Die Quanteneffizienz ist ein Maß dafür, wie elektrisch lichtempfindlich ein lichtempfindliches Bauelement ist. Photoreaktive Oberflächen nutzen die Energie von einfallenden Photonen, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, in denen die Energie des Photons das Energieniveau eines Elektrons erhöht und es dem Elektron ermöglicht, das Valenzband zu verlassen, in dem Elektronen an einzelne Atome gebunden sind, und in das Leitungsband einzutreten , wo es sich frei durch das gesamte Atomgitter des Materials bewegen kann. Je höher der Prozentsatz der Photonen ist, die beim Auftreffen auf die photoreaktive Oberfläche ein Elektronenlochpaar erzeugen, desto höher ist die Quantenausbeute. Die Quantenausbeute ist ein wichtiges Merkmal einer Reihe moderner Technologien, insbesondere von Photovoltaik-Solarzellen zur Stromerzeugung sowie von fotografischen Filmen und ladungsgekoppelten Geräten.
Die Photonenenergie variiert mit der Wellenlänge des Photons, und die Quanteneffizienz eines Geräts kann für verschiedene Wellenlängen des Lichts variieren. Unterschiedliche Materialkonfigurationen unterscheiden sich darin, wie sie unterschiedliche Wellenlängen absorbieren und reflektieren. Dies ist ein wichtiger Faktor dafür, welche Substanzen in verschiedenen lichtempfindlichen Geräten verwendet werden. Das gebräuchlichste Material für Solarzellen ist kristallines Silizium, es existieren jedoch auch Zellen auf der Basis anderer photoreaktiver Substanzen wie Cadmiumtellurid und Kupferindiumgalliumselenid. Der fotografische Film verwendet Silberbromid, Silberchlorid oder Silberiodid, entweder allein oder in Kombination.
Die höchsten Quanteneffizienzen werden durch ladungsgekoppelte Geräte erzielt, die für die digitale Fotografie und hochauflösende Bildgebung verwendet werden. Diese Bauelemente sammeln Photonen mit einer mit Bor dotierten Schicht aus epitaktischem Silizium, die elektrische Ladungen erzeugt, die dann über eine Reihe von Kondensatoren zu einem Ladungsverstärker geleitet werden. Der Ladungsverstärker wandelt die Ladungen in eine Reihe von Spannungen um, die als analoges Signal verarbeitet oder digital aufgezeichnet werden können. Ladungsgekoppelte Geräte, die häufig in wissenschaftlichen Anwendungen wie der Astronomie und der Biologie eingesetzt werden und eine hohe Präzision und Empfindlichkeit erfordern, können einen Quantenwirkungsgrad von 90 Prozent oder mehr aufweisen.
In Solarzellen wird die Quanteneffizienz manchmal in zwei Messungen unterteilt, externe Quanteneffizienz und interne Quanteneffizienz. Die externe Effizienz ist ein Maß für den Prozentsatz aller auf die Solarzelle treffenden Photonen, die ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, das von der Zelle erfolgreich gesammelt wird. Die Quanteneffizienz zählt nur diejenigen Photonen, die auf die Zelle auftreffen und nicht von der Zelle reflektiert oder aus dieser übertragen wurden. Eine schlechte interne Effizienz deutet darauf hin, dass zu viele Elektronen, die auf das Leitfähigkeitsniveau gebracht wurden, ihre Energie verlieren und wieder an ein Atom im Valenzniveau gebunden werden, ein Prozess, der als Rekombination bezeichnet wird. Ein schlechter externer Wirkungsgrad kann entweder auf einen schlechten internen Wirkungsgrad zurückzuführen sein oder bedeuten, dass große Mengen des Lichts, das die Zelle erreicht, nicht zur Verwendung zur Verfügung stehen, weil es von der Zelle reflektiert wird oder durch diese hindurchgelassen wird.
Sobald Elektronen beginnen, sich in das Leitungsband zu bewegen, steuert das Design der Solarzelle die Richtung ihrer Bewegung, um einen Gleichstromfluss zu erzeugen. Da durch eine höhere Quanteneffizienz mehr Elektronen in das Leitungsband gelangen und erfolgreich gesammelt werden können, kann durch eine höhere Effizienz mehr Leistung erzeugt werden. Die meisten Solarzellen sind darauf ausgelegt, die Quantenausbeute bei den Wellenlängen des Lichts zu maximieren, die in der Erdatmosphäre am häufigsten vorkommen, nämlich im sichtbaren Spektrum. Es wurden jedoch auch spezielle Solarzellen zur Nutzung von Infrarot- oder Ultraviolettlicht entwickelt.