Hva er kvanteffektivitet?

Kvanteeffektivitet er en måling av hvor elektrisk lysfølsom en lysfølsom enhet er. Fotoreaktive overflater bruker energien fra innkommende fotoner for å lage elektronhullspar, der fotonets energi øker energinivået til et elektron og lar elektronet forlate valensbåndet, der elektronene er bundet til individuelle atomer, og kommer inn i ledningsbåndet , hvor den kan bevege seg fritt gjennom hele atomgitteret til materialet. Jo høyere prosentandel av fotoner som produserer et elektronhullspar når de treffer den fotoreaktive overflaten, jo høyere er kvanteeffektiviteten. Kvanteeffektivitet er et viktig kjennetegn ved en rekke moderne teknologier, spesielt fotovoltaiske solceller som brukes til å generere strøm, samt fotografisk film og ladekoblede enheter.

Fotonenergi varierer med fotonens bølgelengde, og en enhets kvanteffektivitet kan variere for forskjellige bølgelengder av lys. Ulike materialkonfigurasjoner varierer i hvordan de absorberer og reflekterer forskjellige bølgelengder, og dette er en viktig faktor i hvilke stoffer som brukes i forskjellige lysfølsomme enheter. Det vanligste materialet for solceller er krystallinsk silisium, men celler som er basert på andre fotoreaktive stoffer, for eksempel kadmium Tellurid og kobber indium gallium selenid, finnes også. Fotografisk film bruker sølvbromid, sølvklorid eller sølviodid, enten alene eller i kombinasjon.

Den høyeste kvanteeffektiviteten produseres av ladekoblede enheter som brukes til digital fotografering og høyoppløselig bildebehandling. Disse enhetene samler fotoner med et lag med epitaksial silisium dopet med bor, noe som skaper elektriske ladninger som deretter blir forskjøvet gjennom en serie kondensatorer til en ladeforsterker. Ladeforsterkeren konverterer ladningene til en serie spenninger som kan behandles som et analogt signal eller tas opp digitalt. Ladekoblede enheter, som ofte brukes i vitenskapelige applikasjoner som astronomi og biologi som krever stor presisjon og følsomhet, kan ha kvanteeffektivitet på 90 prosent eller mer.

I solceller er kvanteeffektivitet noen ganger delt inn i to målinger, ekstern kvanteeffektivitet og intern kvanteeffektivitet. Ekstern effektivitet er et mål på prosentandelen av alle fotoner som treffer solcellen som produserer et elektronhullspar som vellykket blir samlet inn av cellen. Kvanteeffektivitet teller bare de fotonene som slår cellen som ikke ble reflektert bort eller overført ut av cellen. Dårlig intern effektivitet indikerer at for mange elektroner som hadde blitt hevet opp til ledningsnivået, mister energien og blir igjen knyttet til et atom i valensnivået, en prosess som kalles rekombinasjon. Dårlig ytre effektivitet kan enten være en refleksjon av dårlig intern effektivitet eller kan bety at store mengder lys som når cellen ikke er tilgjengelig for bruk fordi den reflekteres bort av cellen eller får passere gjennom den.

Når elektronene begynner å bevege seg inn i ledningsbåndet, styrer solcelleutformingen bevegelsesretningen for å skape en strøm av likestrøm. Ettersom høyere kvanteeffektivitet betyr at flere elektroner kan komme inn i ledningsbåndet og samles vellykket, gjør høyere effektivitet det mulig å generere mer kraft. De fleste solceller er designet for å maksimere kvanteeffektiviteten i bølgelengdene til lys som er vanligst i jordens atmosfære, nemlig det synlige spekteret, selv om det også er utviklet spesialiserte solceller for å utnytte infrarødt eller ultrafiolett lys.