Qu'est-ce que l'efficacité quantique?

L'efficacité quantique est une mesure du degré de photosensibilité électrique d'un dispositif photosensible. Les surfaces photoréactives utilisent l'énergie des photons entrants pour créer des paires électron-trou, dans lesquelles l'énergie du photon augmente le niveau d'énergie d'un électron et permet à l'électron de quitter la bande de valence, où les électrons sont liés à des atomes individuels et pénètre dans la bande de conduction. , où il peut se déplacer librement dans tout le réseau atomique du matériau. Plus le pourcentage de photons produisant une paire électron-trou en frappant la surface photoréactive est élevé, plus son efficacité quantique est élevée. L’efficacité quantique est une caractéristique importante de nombreuses technologies modernes, notamment les cellules solaires photovoltaïques utilisées pour produire de l’électricité, ainsi que les films photographiques et les dispositifs à couplage de charge.

L'énergie des photons varie avec la longueur d'onde du photon, et l'efficacité quantique d'un dispositif peut varier pour différentes longueurs d'onde de la lumière. La façon dont ils absorbent et réfléchissent différentes longueurs d'onde varie selon les configurations de matériaux, ce qui est un facteur important dans le choix des substances utilisées dans différents dispositifs photosensibles. Le silicium cristallin est le matériau le plus couramment utilisé dans les cellules solaires, mais il existe également des cellules à base d'autres substances photoréactives, telles que le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre indium et de gallium. Les pellicules photographiques utilisent du bromure d'argent, du chlorure d'argent ou de l'iodure d'argent, seuls ou en combinaison.

Les plus hauts rendements quantiques sont produits par des dispositifs à couplage de charges utilisés pour la photographie numérique et l’imagerie haute résolution. Ces dispositifs collectent les photons avec une couche de silicium épitaxial dopé au bore, ce qui crée des charges électriques qui sont ensuite transférées via une série de condensateurs vers un amplificateur de charge. L'amplificateur de charge convertit les charges en une série de tensions pouvant être traitées sous forme de signal analogique ou enregistrées numériquement. Les dispositifs à couplage de charge, souvent utilisés dans des applications scientifiques telles que l'astronomie et la biologie qui nécessitent une précision et une sensibilité élevées, peuvent avoir une efficacité quantique de 90% ou plus.

Dans les cellules solaires, l'efficacité quantique est parfois divisée en deux mesures, l'efficacité quantique externe et l'efficacité quantique interne. L'efficacité externe est une mesure du pourcentage de tous les photons frappant la cellule solaire qui produisent une paire électron-trou qui est collectée avec succès par la cellule. L’efficacité quantique ne compte que les photons frappant la cellule qui n’ont pas été réfléchis ni transmis hors de la cellule. Une faible efficacité interne indique que trop d'électrons qui avaient été élevés jusqu'au niveau de conduction perdent leur énergie et sont de nouveau attachés à un atome dans le niveau de valence, un processus appelé recombinaison. Une efficacité externe médiocre peut être le reflet d'une efficacité interne médiocre ou peut signifier que de grandes quantités de lumière atteignant la cellule ne sont pas utilisables, car elles sont réfléchies par la cellule ou autorisées à la traverser.

Une fois que les électrons commencent à se déplacer dans la bande de conduction, la conception de la cellule solaire contrôle la direction de son mouvement pour créer un flux d'électricité à courant continu. Dans la mesure où une efficacité quantique plus élevée signifie qu'un plus grand nombre d'électrons peut entrer dans la bande de conduction et être collecté avec succès, une efficacité plus élevée permet de générer plus de puissance. La plupart des cellules solaires sont conçues pour maximiser l'efficacité quantique des longueurs d'onde de la lumière les plus courantes dans l'atmosphère terrestre, à savoir le spectre visible, bien que des cellules solaires spécialisées pour exploiter la lumière infrarouge ou ultraviolette aient également été développées.

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