Vad är kvanteffektivitet?

kvanteffektivitet är en mätning av hur elektriskt fotokänslig en fotokänslig enhet är. Fotoreaktiva ytor använder energin från inkommande fotoner för att skapa elektronhålpar, där fotons energi ökar energinivån för en elektron och gör det möjligt för elektron att lämna valensbandet, där elektroner är bundna till enskilda atomer och komma in i ledningsbandet, där det kan röra sig fritt genom hela atomgitteret i materialet. Ju högre procentandel av fotoner som producerar ett elektronhålspar när man slår den fotoreaktiva ytan, desto högre kvanteffektivitet. Kvanteffektivitet är ett viktigt kännetecken för ett antal moderna tekniker, framför allt fotovoltaiska solceller som används för att generera elektricitet, såväl som fotografisk film och laddningskopplad enheter. Olika konfigurationer av materials varierar i hur de absorberar och återspeglar 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 baserade på andra fotoreaktiva ämnen, såsom kadmium tellurid och kopparindium galliumselenid, finns också. Fotografisk film använder silverbromid, silverklorid eller silverjodid, antingen ensam eller i kombination.

Den högsta kvanteffektiviteten produceras av laddningskopplade enheter som används för digital fotografering och högupplöst avbildning. Dessa enheter samlar fotoner med ett lager av epitaxial kisel dopad med bor, vilket skapar elektriska laddningar som sedan flyttas genom en serie kondensatorer till en laddningsförstärkare. Laddningsförstärkaren konverterar laddningarna till en serie spänningar som kan bearbetas som en analog signal eller registreras digitalt.Laddningskopplade 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 delas kvanteffektiviteten ibland upp i två mätningar, extern kvanteffektivitet och intern kvanteffektivitet. Extern effektivitet är en mätning av procentandelen av alla fotoner som slår solcellen som producerar ett elektronhålpar som framgångsrikt samlas in av cellen. Kvanteffektivitet räknas endast de fotoner som slår cellen som inte reflekterades bort eller överfördes ut ur cellen. Dålig intern effektivitet indikerar att för många elektroner som hade höjts upp till ledningsnivån förlorar sin energi och återigen fästas till en atom i valensnivån, en process som kallas rekombination. Dålig extern effektivitet kan antingen återspegla dålig intern effektivitet eller kan innebära att stora mängder av ljuset räckviddCellen är inte tillgänglig för användning eftersom den reflekteras bort av cellen eller får passera den.

När elektronerna börjar flytta in i ledningsbandet styr utformningen av solcellen riktningen för deras rörelse för att skapa ett flöde av likström el. Eftersom högre kvanteffektivitet innebär att fler elektroner kan komma in i ledningsbandet och framgångsrikt samlas in, 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 infraröd eller ultraviolett ljus har också utvecklats.