O que é eficiência quântica?

A eficiência quântica é uma medida de quão fotossensível é um dispositivo fotossensível. As superfícies fotorreativas usam a energia dos fótons recebidos para criar pares de elétrons-orifícios, nos quais a energia do fóton aumenta o nível de energia de um elétron e permite que o elétron saia da banda de valência, onde os elétrons estão ligados a átomos individuais, e entra na banda de condução , onde ele pode se mover livremente através de toda a estrutura atômica do material. Quanto maior a porcentagem de fótons que produzem um par elétron-buraco ao atingir a superfície fotorreativa, maior sua eficiência quântica. A eficiência quântica é uma característica importante de várias tecnologias modernas, principalmente células solares fotovoltaicas usadas para gerar eletricidade, bem como filmes fotográficos e dispositivos acoplados a cargas.

A energia do fóton varia com o comprimento de onda do fóton, e a eficiência quântica de um dispositivo pode variar para diferentes comprimentos de onda da luz. Diferentes configurações de materiais variam na maneira como absorvem e refletem diferentes comprimentos de onda, e esse é um fator importante em quais substâncias são usadas em diferentes dispositivos fotossensíveis. O material mais comum para células solares é o silício cristalino, mas também existem células baseadas em outras substâncias fotorreativas, como telureto de cádmio e seleneto de cobre e índio e gálio. O filme fotográfico utiliza brometo de prata, cloreto de prata ou iodeto de prata, sozinho ou em combinação.

As eficiências quânticas mais altas são produzidas por dispositivos acoplados a carga usados ​​para fotografia digital e imagens de alta resolução. Esses dispositivos coletam fótons com uma camada de silício epitaxial dopado com boro, o que cria cargas elétricas que são então deslocadas através de uma série de capacitores para um amplificador de carga. O amplificador de carga converte as cargas em uma série de tensões que podem ser processadas como um sinal analógico ou gravadas digitalmente. Dispositivos acoplados a carga, que são usados ​​com freqüência em aplicações científicas como astronomia e biologia que exigem grande precisão e sensibilidade, podem ter eficiência quântica de 90% ou mais.

Nas células solares, a eficiência quântica às vezes é dividida em duas medições: eficiência quântica externa e eficiência quântica interna. A eficiência externa é uma medida da porcentagem de todos os fótons que atingem a célula solar que produzem um par elétron-buraco que é coletado com sucesso pela célula. A eficiência quântica conta apenas os fótons que atingem a célula que não foram refletidos ou transmitidos para fora da célula. A baixa eficiência interna indica que muitos elétrons que foram elevados até o nível de condução estão perdendo energia e novamente se apegando a um átomo no nível de valência, um processo chamado recombinação. A baixa eficiência externa pode ser um reflexo da baixa eficiência interna ou pode significar que grandes quantidades de luz que chegam à célula não estão disponíveis para uso porque estão sendo refletidas pela célula ou podem passar por ela.

Quando os elétrons começam a se mover para a banda de condução, o design da célula solar controla a direção de seus movimentos para criar um fluxo de eletricidade em corrente contínua. Como maior eficiência quântica significa que mais elétrons podem entrar na banda de condução e serem coletados com sucesso, maior eficiência torna possível gerar mais energia. A maioria das células solares é projetada para maximizar a eficiência quântica nos comprimentos de onda da luz mais comuns na atmosfera da Terra, a saber, o espectro visível, embora também tenham sido desenvolvidas células solares especializadas para explorar a luz infravermelha ou ultravioleta.