Что такое квантовая эффективность?

Квантовая эффективность - это измерение того, насколько электрически фоточувствительным является фоточувствительное устройство. Фотореактивные поверхности используют энергию поступающих фотонов для создания электронно-дырочных пар, в которых энергия фотона увеличивает уровень энергии электрона и позволяет электрону покинуть валентную зону, где электроны связаны с отдельными атомами, и войти в зону проводимости где он может свободно перемещаться по всей атомной решетке материала. Чем выше процент фотонов, которые образуют электронно-дырочную пару при попадании на фотореактивную поверхность, тем выше ее квантовая эффективность. Квантовая эффективность является важной характеристикой ряда современных технологий, в частности фотоэлектрических солнечных элементов, используемых для выработки электроэнергии, а также фотопленки и приборов с зарядовой связью.

Энергия фотона изменяется в зависимости от длины волны фотона, и квантовая эффективность устройства может варьироваться для разных длин волн света. Различные конфигурации материалов различаются по тому, как они поглощают и отражают различные длины волн, и это является важным фактором того, какие вещества используются в различных светочувствительных устройствах. Наиболее распространенным материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний, но также существуют элементы на основе других фотореактивных веществ, таких как теллурид кадмия и селенид меди-индия-галлия. В фотопленке используются бромид серебра, хлорид серебра или йодид серебра, по отдельности или в комбинации.

Высочайшая квантовая эффективность достигается с помощью приборов с зарядовой связью, используемых для цифровой фотографии и получения изображений высокого разрешения. Эти устройства собирают фотоны со слоем эпитаксиального кремния, легированного бором, который создает электрические заряды, которые затем сдвигаются через серию конденсаторов к усилителю заряда. Усилитель заряда преобразует заряды в серию напряжений, которые могут быть обработаны как аналоговый сигнал или записаны в цифровом виде. Устройства с зарядовой связью, которые часто используются в научных приложениях, таких как астрономия и биология, которые требуют высокой точности и чувствительности, могут иметь квантовую эффективность 90 процентов и более.

В солнечных элементах квантовая эффективность иногда делится на два измерения: внешняя квантовая эффективность и внутренняя квантовая эффективность. Внешняя эффективность - это измерение процента всех фотонов, попадающих на солнечный элемент, которые производят электронно-дырочную пару, которая успешно собирается этим элементом. Квантовая эффективность учитывает только те фотоны, поражающие клетку, которые не были отражены или переданы из клетки. Низкая внутренняя эффективность указывает на то, что слишком много электронов, которые были подняты до уровня проводимости, теряют свою энергию и снова привязываются к атому на валентном уровне, процесс, называемый рекомбинацией. Низкая внешняя эффективность может быть либо отражением низкой внутренней эффективности, либо может означать, что большое количество света, достигающего ячейки, недоступно для использования, поскольку оно отражается ячейкой или пропускается через нее.

Как только электроны начинают двигаться в зоне проводимости, конструкция солнечного элемента контролирует направление их движения для создания потока электричества постоянного тока. Поскольку более высокая квантовая эффективность означает, что больше электронов могут войти в зону проводимости и быть успешно собраны, более высокая эффективность позволяет генерировать больше энергии. Большинство солнечных элементов предназначены для максимизации квантовой эффективности на длинах волн света, наиболее распространенных в атмосфере Земли, а именно в видимом спектре, хотя также были разработаны специализированные солнечные элементы для использования инфракрасного или ультрафиолетового света.