Cos'è l'efficienza quantistica?
L'efficienza quantistica è una misurazione di quanto sia elettricamente fotosensibile un dispositivo fotosensibile. Le superfici fotoreattive usano l'energia dai fotoni in arrivo per creare coppie di buchi elettronici, 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 di buchi elettronici colpendo la superficie fotoreattiva, maggiore è l'efficienza quantistica. L'efficienza quantistica è una caratteristica importante di un numero di tecnologie moderne, in particolare le celle solari fotovoltaiche utilizzate per generare elettricità, nonché i dispositivi fotografici e accoppiati a carica. Diverse configurazioni di materialeS variano nel modo in cui assorbono e riflettono diverse lunghezze d'onda, 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 cadmio per telurro e selenide in indio di rame indio. Il film fotografico usa bromuro d'argento, cloruro d'argento o ioduro d'argento, da solo o in combinazione.
Le più alte 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 a 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 utilizzati spesso in applicazioni scientifiche come astronomia e biologia che richiedono grande precisione e sensibilità, possono avere efficienze quantistiche del 90 percento o più.
Nelle celle solari, l'efficienza quantistica è talvolta divisa in due misurazioni, efficienza quantica esterna ed efficienza quantistica interna. L'efficienza esterna è una misurazione della percentuale di tutti i fotoni che colpiscono la cella solare che produce una coppia di buchi elettronici che viene raccolta con successo dalla cella. L'efficienza quantistica conta solo quei fotoni che colpiscono la cellula che non si sono riflessi o trasmessi fuori dalla cella. Una scarsa efficienza interna indica che troppi elettroni che erano stati sollevati fino al livello di conduzione stanno perdendo la loro energia e di nuovo attaccati a un atomo a livello di valenza, un processo chiamato ricombinazione. Una scarsa efficienza esterna può essere un riflesso di scarsa efficienza interna o può significare che grandi quantità di luce raggiungonoLa cella non è disponibile per l'uso perché viene riflessa dalla cella o lasciata 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 a corrente continua. Poiché una maggiore efficienza quantistica 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 quantistica nelle lunghezze d'onda della luce più comuni nell'atmosfera terrestre, vale a dire lo spettro visibile, sebbene siano state anche sviluppate celle solari specializzate per sfruttare infrarossi o luce ultravioletta.