Wat is kwantumefficiëntie?
Kwantumefficiëntie is een meting van hoe elektrisch lichtgevoelig een lichtgevoelig apparaat is. Fotoreactieve oppervlakken gebruiken de energie van binnenkomende fotonen om elektronen-gatparen te creëren, waarin de energie van het foton het energieniveau van een elektron verhoogt en het elektron de valentieband laat verlaten, waar elektronen aan afzonderlijke atomen worden gebonden en de geleidingsband binnenkomen , waar het zich vrij door het gehele atoomrooster van het materiaal kan bewegen. Hoe hoger het percentage fotonen dat een elektron-gat paar produceert bij het raken 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 op te wekken, evenals fotografische film en ladingsgekoppelde apparaten.
Fotonenergie varieert met de golflengte van het foton, en de kwantumefficiëntie van een apparaat kan variëren voor verschillende golflengten van licht. Verschillende configuraties van materialen variëren in hoe ze verschillende golflengten absorberen en reflecteren, en dit is een belangrijke factor in welke stoffen worden gebruikt in verschillende lichtgevoelige apparaten. Het meest voorkomende materiaal voor zonnecellen is kristallijn silicium, maar cellen op basis van andere fotoreactieve stoffen, zoals cadmiumtelluride en koperindium galliumselenide, bestaan ook. Fotografische film gebruikt zilverbromide, zilverchloride of zilverjodide, alleen of in combinatie.
De hoogste kwantumefficiëntie wordt geproduceerd door ladingsgekoppelde apparaten die worden gebruikt voor digitale fotografie en beeldvorming met hoge resolutie. Deze apparaten verzamelen fotonen met een laag van epitaxiaal silicium gedoteerd met boor, die elektrische ladingen creëert die vervolgens door een reeks condensatoren naar een ladingsversterker worden verplaatst. De ladingsversterker zet de ladingen om in een reeks spanningen die kunnen worden verwerkt als een analoog signaal of digitaal worden opgenomen. Ladingsgekoppelde apparaten, die vaak worden gebruikt in wetenschappelijke toepassingen zoals astronomie en biologie die grote precisie en gevoeligheid vereisen, kunnen een kwantumefficiëntie van 90 procent of meer hebben.
In zonnecellen wordt 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 raken en die een paar elektronengaten produceren dat met succes door de cel wordt verzameld. Kwantumefficiëntie telt alleen die fotonen die de cel raken die niet werden gereflecteerd of door de cel werden uitgezonden. Slechte interne efficiëntie geeft aan dat te veel elektronen die tot het geleidingsniveau waren verhoogd hun energie verliezen en zich opnieuw hechten aan een atoom in het valentie-niveau, een proces dat recombinatie wordt genoemd. Slechte externe efficiëntie kan een weerspiegeling zijn van slechte interne efficiëntie of kan betekenen dat grote hoeveelheden van het licht dat de cel bereikt niet beschikbaar zijn voor gebruik omdat het door de cel wordt gereflecteerd of er doorheen kan passeren.
Zodra elektronen in de geleidingsband beginnen te bewegen, regelt het ontwerp van de zonnecel de richting van hun beweging om een stroom gelijkstroom te creëren. Omdat hogere kwantumefficiëntie betekent dat meer elektronen de geleidingsband kunnen binnendringen en met succes kunnen worden verzameld, maakt 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 die het meest voorkomen in de atmosfeer van de aarde, namelijk het zichtbare spectrum, hoewel ook gespecialiseerde zonnecellen zijn ontwikkeld om infrarood- of ultraviolet licht te exploiteren.