Che cos'è l'efficienza quantistica?

L'efficienza quantistica è una misura di quanto un dispositivo fotosensibile sia elettricamente fotosensibile. Le superfici fotoreattive usano l'energia dei fotoni in entrata per creare coppie elettrone-buco, in cui l'energia del fotone aumenta il livello di energia di un elettrone e consente all'elettrone di lasciare la banda di valenza, dove gli elettroni sono legati ai singoli atomi ed entrano nella banda di conduzione , dove può muoversi liberamente attraverso l'intero reticolo atomico del materiale. Maggiore è la percentuale di fotoni che producono una coppia elettrone-buco quando colpisce la superficie fotoreattiva, maggiore è la sua efficienza quantica. L'efficienza quantistica è una caratteristica importante di una serie di tecnologie moderne, in particolare celle solari fotovoltaiche utilizzate per generare elettricità, nonché pellicole fotografiche e dispositivi accoppiati a carica.

L'energia del fotone varia con la lunghezza d'onda del fotone e l'efficienza quantica di un dispositivo può variare a seconda della lunghezza d'onda della luce. Diverse configurazioni di materiali variano nel modo in cui assorbono e riflettono lunghezze d'onda diverse, e questo è un fattore importante in quali sostanze vengono utilizzate in diversi dispositivi fotosensibili. Il materiale più comune per le celle solari è il silicio cristallino, ma esistono anche cellule basate su altre sostanze fotoreattive, come il tellururo di cadmio e il selenuro di gallio e indio di rame. La pellicola fotografica utilizza bromuro d'argento, cloruro d'argento o ioduro d'argento, da soli o in combinazione.

Le massime efficienze quantistiche sono prodotte da dispositivi accoppiati a carica utilizzati per la fotografia digitale e l'imaging ad alta risoluzione. Questi dispositivi raccolgono fotoni con uno strato di silicio epitassiale drogato con boro, che crea cariche elettriche che vengono quindi spostate attraverso una serie di condensatori verso un amplificatore di carica. L'amplificatore di carica converte le cariche in una serie di tensioni che possono essere elaborate come segnale analogico o registrate digitalmente. I dispositivi accoppiati a carica, che vengono spesso utilizzati in applicazioni scientifiche come l'astronomia e la biologia che richiedono grande precisione e sensibilità, possono avere efficienze quantiche pari o superiori al 90 percento.

Nelle celle solari, l'efficienza quantistica è talvolta divisa in due misurazioni, efficienza quantica esterna ed efficienza quantica interna. L'efficienza esterna è una misura della percentuale di tutti i fotoni che colpiscono la cella solare che produce una coppia elettrone-buco che viene raccolta con successo dalla cella. L'efficienza quantistica conta solo quei fotoni che colpiscono la cellula che non sono stati riflessi o trasmessi dalla cellula. La scarsa efficienza interna indica che troppi elettroni che erano stati innalzati al livello di conduzione stanno perdendo la loro energia e si stanno nuovamente attaccando a un atomo nel livello di valenza, un processo chiamato ricombinazione. Una scarsa efficienza esterna può essere un riflesso di una scarsa efficienza interna o può significare che grandi quantità di luce che raggiungono la cella non sono disponibili per l'uso perché vengono riflesse dalla cella o lasciate passare attraverso di essa.

Una volta che gli elettroni iniziano a muoversi nella banda di conduzione, il design della cella solare controlla la direzione del loro movimento per creare un flusso di elettricità in corrente continua. Poiché una maggiore efficienza quantica significa che più elettroni possono entrare nella banda di conduzione ed essere raccolti con successo, una maggiore efficienza consente di generare più potenza. La maggior parte delle celle solari sono progettate per massimizzare l'efficienza quantica nelle lunghezze d'onda della luce più comuni nell'atmosfera terrestre, vale a dire lo spettro visibile, sebbene siano state sviluppate anche celle solari specializzate per sfruttare la luce infrarossa o ultravioletta.

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