Vad är kvanteffektivitet?
Kvanteffektivitet är ett mått på hur elektriskt ljuskänslig en ljuskänslig enhet är. Fotoreaktiva ytor använder energin från inkommande fotoner för att skapa elektronhålhål, där fotonens energi ökar energinivån för en elektron och tillåter elektronen att lämna valensbandet, där elektroner är bundna till enskilda atomer, och kommer in i ledningsbandet , där det kan röra sig fritt genom hela atomgitteret i materialet. Ju högre procentandel av fotoner som producerar ett elektronhål-par när de träffar den fotoreaktiva ytan, desto högre är kvanteffektiviteten. Kvanteffektivitet är ett viktigt kännetecken för ett antal moderna tekniker, särskilt fotovoltaiska solceller som används för att generera elektricitet, liksom fotografiska filmer och laddningskopplade enheter.
Fotonenergi varierar med fotonens våglängd, och en enhets kvanteffektivitet kan variera för olika våglängder för ljus. Olika materialkonfigurationer varierar i hur de absorberar och reflekterar olika våglängder, och detta är en viktig faktor i vilka ämnen som används i olika fotokänsliga enheter. Det vanligaste materialet för solceller är kristallint kisel, men celler som är baserade på andra fotoreaktiva ämnen, såsom kadmiumtellurid och kopparindiumgaliumselenid, finns också. Fotografisk film använder silverbromid, silverklorid eller silverjodid, antingen ensam eller i kombination.
De högsta kvanteffektiviteterna produceras av laddningskopplade enheter som används för digital fotografering och högupplösta bilder. Dessa enheter samlar fotoner med ett lager epitaxiellt kisel dopat med bor, vilket skapar elektriska laddningar som sedan flyttas genom en serie kondensatorer till en laddförstärkare. Laddförstärkaren konverterar laddningarna till en serie spänningar som kan behandlas som en analog signal eller inspelas digitalt. Laddkopplade enheter, som ofta används i vetenskapliga tillämpningar som astronomi och biologi som kräver stor precision och känslighet, kan ha kvanteffektivitet på 90 procent eller mer.
I solceller är kvanteffektiviteten ibland uppdelad i två mätningar, extern kvanteffektivitet och intern kvanteffektivitet. Extern effektivitet är en mätning av procentandelen av alla fotoner som slår i solcellen som producerar ett elektronhål som är framgångsrikt samlat av cellen. Kvanteffektivitet räknar endast de fotoner som slår cellen som inte reflekterades bort eller överförts ut ur cellen. Dålig intern effektivitet indikerar att för många elektroner som hade höjts upp till ledningsnivån förlorar sin energi och återigen knyts fast vid en atom i valensnivån, en process som kallas rekombination. Dålig extern effektivitet kan antingen vara en återspegling av dålig intern effektivitet eller kan innebära att stora mängder ljus som når cellen inte är tillgängliga för användning eftersom det reflekteras bort av cellen eller får passera genom den.
När elektroner börjar röra sig in i ledningsbandet styr solcells utformning riktningen för deras rörelse för att skapa ett flöde av likström. Eftersom högre kvanteffektivitet innebär att fler elektroner kan komma in i ledningsbandet och samlas framgångsrikt, gör högre effektivitet det möjligt att generera mer kraft. De flesta solceller är utformade för att maximera kvanteffektiviteten i våglängderna för ljus som är vanligast i jordens atmosfär, nämligen det synliga spektrumet, även om specialiserade solceller för att utnyttja infrarött eller ultraviolett ljus också har utvecklats.