¿Qué es la eficiencia cuántica?

La eficiencia cuántica es una medida de cuán fotosensible es un dispositivo fotosensible. Las superficies fotorreactivas usan la energía de los fotones entrantes para crear pares de agujeros de electrones, en los que la energía del fotón aumenta el nivel de energía de un electrón y permite que el electrón salga de la banda de valencia, donde los electrones están unidos a átomos individuales e ingresan la banda de conducción, donde puede moverse libremente a través de todo el reticulación atómica del material. Cuanto mayor sea el porcentaje de fotones que producen un par de electrones al golpear la superficie fotorreactiva, mayor es su eficiencia cuántica. La eficiencia cuántica es una característica importante de una serie de tecnologías modernas, especialmente las células solares fotovoltaicas utilizadas para generar electricidad, así como la película fotográfica y los dispositivos acoplados a carga. Diferentes configuraciones de materialvarían en cómo absorben y reflejan diferentes longitudes de onda, y este es un factor importante en qué sustancias se usan en diferentes dispositivos fotosensibles. El material más común para las células solares es el silicio cristalino, pero también existen células basadas en otras sustancias fotorreactivas, como el telururo de cadmio y el selenuro de cobre galio galio. La película fotográfica utiliza bromuro de plata, cloruro de plata o yoduro de plata, ya sea solo o en combinación.

Las eficiencias cuánticas más altas se producen mediante dispositivos acoplados a carga utilizados para fotografía digital y imágenes de alta resolución. Estos dispositivos recolectan fotones con una capa de silicio epitaxial dopado con boro, que crea cargas eléctricas que luego se desplazan a través de una serie de condensadores a un amplificador de carga. El amplificador de carga convierte las cargas en una serie de voltajes que pueden procesarse como una señal analógica o registrarse digitalmente.Los dispositivos acoplados a carga, que se utilizan a menudo en aplicaciones científicas como la astronomía y la biología que requieren una gran precisión y sensibilidad, pueden tener eficiencias cuánticas del 90 por ciento o más.

En las células solares, la eficiencia cuántica a veces se divide en dos mediciones, eficiencia cuántica externa y eficiencia cuántica interna. La eficiencia externa es una medición del porcentaje de todos los fotones que golpean la célula solar que produce un par de electrones que la célula recolecta con éxito. La eficiencia cuántica cuenta solo aquellos fotones que golpean la célula que no se reflejaban o se transmitieron fuera de la célula. La mala eficiencia interna indica que demasiados electrones que se habían elevado al nivel de conducción están perdiendo su energía y nuevamente se unen a un átomo en el nivel de valencia, un proceso llamado recombinación. La mala eficiencia externa puede ser un reflejo de una mala eficiencia interna o puede significar que grandes cantidades del alcance de la luzLa celda no está disponible para su uso porque la celda la refleja o se deja pasar a través de ella.

Una vez que los electrones comienzan a moverse hacia la banda de conducción, el diseño de la célula solar controla la dirección de su movimiento para crear un flujo de electricidad de corriente continua. Como una mayor eficiencia cuántica significa que más electrones pueden ingresar a la banda de conducción y ser recolectados con éxito, una mayor eficiencia hace posible generar más potencia. La mayoría de las células solares están diseñadas para maximizar la eficiencia cuántica en las longitudes de onda de la luz más comunes en la atmósfera de la Tierra, a saber, el espectro visible, aunque también se han desarrollado células solares especializadas para explotar la luz infrarroja o ultravioleta.