Wat is kwantumefficiëntie?
Quantum -efficiëntie is een meting van hoe elektrisch doorgevoerd een lichtgevoelig apparaat is. Fotoreactieve oppervlakken gebruiken de energie van inkomende fotonen om elektronengatparen te maken, waarin de energie van het foton het energieniveau van een elektron verhoogt en het elektron in staat stelt de valentieband te verlaten, waar elektronen aan individuele atomen worden gebonden en de geleidingsband binnen kunnen komen, waar het vrij door het gehele atoomrovertiek van het materiaal kan bewegen. Hoe hoger het percentage fotonen dat een elektronengatpaar produceert bij het slaan van het fotoreactieve oppervlak, hoe hoger de kwantumefficiëntie. Kwantumefficiëntie is een belangrijk kenmerk van een aantal moderne technologieën, met name fotovoltaïsche zonnecellen die worden gebruikt om elektriciteit te genereren, evenals fotografische film- en ladings-gekoppelde apparaten.
Fotonenergie varieert met de golflengte van de foton en de kwantumefficiëntie van een apparaat kan variëren voor verschillende golflengten van licht. Verschillende configuraties van materiaalS variëren in hoe ze verschillende golflengten absorberen en weerspiegelen, en dit is een belangrijke factor in welke stoffen worden gebruikt in verschillende fotosensieve apparaten. Het meest voorkomende materiaal voor zonnecellen is kristallijn silicium, maar cellen op basis van andere fotoreactieve stoffen, zoals cadmium telluride en koper indium gallium selenide, bestaan ook. Fotografische film maakt gebruik van zilveren bromide, zilverchloride of zilverjodide, alleen of in combinatie.
De hoogste kwantumefficiëntie worden geproduceerd door lading-gekoppelde apparaten die worden gebruikt voor digitale fotografie en beeldvorming met hoge resolutie. Deze apparaten verzamelen fotonen met een laag epitaxiaal silicium gedoteerd met boor, die elektrische ladingen creëert die vervolgens door een reeks condensatoren worden verplaatst naar een ladingsversterker. De ladingsversterker zet de ladingen om in een reeks spanningen die kunnen worden verwerkt als een analoog signaal of digitaal geregistreerd.Lading-gekoppelde apparaten, die vaak worden gebruikt in wetenschappelijke toepassingen zoals astronomie en biologie die grote precisie en gevoeligheid vereisen, kunnen kwantumefficiëntie hebben van 90 procent of meer.
In zonnecellen wordt de kwantumefficiëntie soms verdeeld in twee metingen, externe kwantumefficiëntie en interne kwantumefficiëntie. Externe efficiëntie is een meting van het percentage van alle fotonen die de zonnecel slaan die een elektronengatpaar produceren dat met succes wordt verzameld door de cel. Kwantumefficiëntie telt alleen die fotonen die de cel slaan die niet werden weggeefseld of uit de cel werden overgedragen. Slechte interne efficiëntie geeft aan dat te veel elektronen die tot het geleidingsniveau waren verhoogd, hun energie verliezen en opnieuw gehecht raken aan een atoom in het valentieniveau, een proces dat recombinatie wordt genoemd. Slechte externe efficiëntie kan een weerspiegeling zijn van een slechte interne efficiëntie of kan betekenen dat grote hoeveelheden van het licht bereiking de cel is niet beschikbaar voor gebruik omdat deze wordt weerspiegeld door de cel of er doorheen mag gaan.
Zodra elektronen beginnen te bewegen naar de geleidingsband, regelt het ontwerp van de zonnecel de richting van hun beweging om een stroom van directe stroomelektriciteit te creëren. Aangezien een hogere kwantumefficiëntie betekent dat meer elektronen de geleidingsband kunnen betreden en succesvol kunnen worden verzameld, maakt een hogere efficiëntie het mogelijk om meer vermogen te genereren. De meeste zonnecellen zijn ontworpen om de kwantumefficiëntie te maximaliseren in de golflengten van het licht dat het meest voorkomen in de atmosfeer van de aarde, namelijk het zichtbare spectrum, hoewel gespecialiseerde zonnecellen om infrarood of ultraviolet licht te exploiteren, ook zijn ontwikkeld.