Co to jest wydajność kwantowa?
Sprawność kwantowa jest miarą tego, jak fotoczułe jest urządzenie światłoczułe. Powierzchnie fotoreaktywne wykorzystują energię z nadchodzących fotonów do tworzenia par elektron-dziura, w których energia fotonu zwiększa poziom energii elektronu i pozwala elektronowi opuścić pasmo walencyjne, w którym elektrony są związane z poszczególnymi atomami i wchodzą w pasmo przewodzenia , gdzie może się swobodnie poruszać przez całą sieć atomową materiału. Im wyższy odsetek fotonów, które wytwarzają parę elektron-dziura po uderzeniu w powierzchnię fotoreaktywną, tym wyższa jest jej wydajność kwantowa. Wydajność kwantowa jest ważną cechą wielu nowoczesnych technologii, w szczególności fotowoltaicznych ogniw słonecznych wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a także filmów fotograficznych i urządzeń sprzężonych z ładunkiem.
Energia fotonu zmienia się w zależności od długości fali fotonu, a wydajność kwantowa urządzenia może być różna dla różnych długości fali światła. Różne konfiguracje materiałów różnią się sposobem pochłaniania i odbijania różnych długości fal, co jest ważnym czynnikiem decydującym o tym, jakie substancje są stosowane w różnych urządzeniach światłoczułych. Najpopularniejszym materiałem na ogniwa słoneczne jest krzem krystaliczny, ale istnieją również ogniwa oparte na innych substancjach fotoreaktywnych, takich jak tellurku kadmu i selenku miedziowo-indowo-galowego. Film fotograficzny wykorzystuje bromek srebra, chlorek srebra lub jodek srebra, same lub w kombinacji.
Najwyższą wydajność kwantową zapewniają urządzenia sprzężone z ładunkiem stosowane w fotografii cyfrowej i obrazowaniu w wysokiej rozdzielczości. Urządzenia te zbierają fotony z warstwą epitaksjalnego krzemu domieszkowanego borem, który wytwarza ładunki elektryczne, które są następnie przenoszone przez szereg kondensatorów do wzmacniacza ładunku. Wzmacniacz ładunku przekształca ładunki w szereg napięć, które mogą być przetwarzane jako sygnał analogowy lub rejestrowane cyfrowo. Urządzenia sprzężone z ładunkiem, które są często używane w zastosowaniach naukowych, takich jak astronomia i biologia, które wymagają dużej precyzji i czułości, mogą mieć wydajność kwantową wynoszącą 90 procent lub więcej.
W ogniwach słonecznych wydajność kwantowa dzieli się czasem na dwa pomiary, zewnętrzną i wewnętrzną. Sprawność zewnętrzna to pomiar procentu wszystkich fotonów uderzających w ogniwo słoneczne, które wytwarzają parę elektron-dziura, która jest z powodzeniem zbierana przez ogniwo. Wydajność kwantowa liczy tylko te fotony, które uderzają w komórkę, które nie zostały odbite ani przekazane z komórki. Niska sprawność wewnętrzna wskazuje, że zbyt wiele elektronów podniesionych do poziomu przewodnictwa traci energię i ponownie przyłącza się do atomu na poziomie walencyjnym, proces zwany rekombinacją. Niska sprawność zewnętrzna może być odzwierciedleniem słabej wydajności wewnętrznej lub może oznaczać, że duże ilości światła docierającego do komórki są niedostępne do użycia, ponieważ jest ona odbijana przez komórkę lub przepuszczana przez nią.
Gdy elektrony zaczną się przemieszczać do pasma przewodzenia, konstrukcja ogniwa słonecznego kontroluje kierunek ich ruchu, aby wytworzyć przepływ prądu stałego. Ponieważ wyższa wydajność kwantowa oznacza, że więcej elektronów może wejść do pasma przewodzenia i zostać skutecznie zebranych, wyższa wydajność umożliwia wygenerowanie większej mocy. Większość ogniw słonecznych została zaprojektowana w celu maksymalizacji wydajności kwantowej w zakresie długości fal światła najczęściej występujących w atmosferze ziemskiej, mianowicie w widmie widzialnym, chociaż opracowano również wyspecjalizowane ogniwa słoneczne do wykorzystania światła podczerwonego lub ultrafioletowego.