Co to jest wydajność kwantowa?

Wydajność kwantowa jest pomiarem tego, jak elektrycznie światłoczuły jest urządzenie światłoczujące.Powierzchnie fotoreaktywne wykorzystują energię z przychodzących fotonów do tworzenia par elektronu, w których energia fotonów zwiększa poziom energii elektronu i pozwala elektronowi opuścić pasmo walencyjne, w którym elektronom są związane z poszczególnymi atomami, i wejść do pasma przewodzenia, gdzie może swobodnie poruszać się przez całą sieć atomową materiału.Im wyższy odsetek fotonów, które wytwarzają parę elektronową po uderzeniu powierzchni fotoreaktywnej, tym wyższa jej wydajność kwantowa.Wydajność kwantowa jest ważną cechą dla wielu nowoczesnych technologii, w szczególności fotowoltaicznych ogniw słonecznych stosowanych do wytwarzania energii elektrycznej, a także folii fotograficznej i urządzeń sprzężonych z ładownictwem.

Energia fotonów zmienia się w zależności od długości fali fotonów, a wydajność kwantowa urządzeń możeróżnią się dla różnych długości fali światła.Różne konfiguracje materiałów różnią się pod względem wchłaniania i odzwierciedlania różnych długości fal, i jest to ważny czynnik w tym, jakie substancje są używane w różnych urządzeniach światłoczułych.Najczęstszym materiałem dla ogniw słonecznych jest krystaliczny krzemion, ale komórki oparte na innych substancjach fotoreaktywnych, takie jak telluride kadm i selenid galu miedzi.Film fotograficzny wykorzystuje srebrny bromek, chlorek srebrny lub srebrny jodek, sam lub w kombinacji.

Najwyższe wydajność kwantową wytwarzane są przez urządzenia sprzężone z ładowaniem używane do fotografii cyfrowej i obrazowania w wysokiej rozdzielczości.Urządzenia te zbierają fotony z warstwą epitaksalnego krzemu domieszkowanego boru, który tworzy ładunki elektryczne, które są następnie przenoszone przez serię kondensatorów na wzmacniacz ładunku.Wzmacniacz ładunku przekształca ładunki w serię napięć, które można przetwarzać jako sygnał analogowy lub rejestrować cyfrowo.Urządzenia sprzężone z ładunkiem, które są często stosowane w zastosowaniach naukowych, takich jak astronomia i biologia, które wymagają dużej precyzji i czułości, mogą mieć efektywność kwantową wynoszącą 90 procent lub więcej.

W ogniwach słonecznych wydajność kwantowa jest czasem podzielona na dwa pomiary, zewnętrzneWydajność kwantowa i wewnętrzna wydajność kwantowa.Wydajność zewnętrzna jest pomiarem procentu wszystkich fotonów uderzających w ogniwo słoneczne, które wytwarzają parę elektronową, która jest z powodzeniem gromadzona przez komórkę.Wydajność kwantowa liczy tylko te fotony uderzające w komórkę, które nie były odbijane lub przenoszone z komórki.Słaba wydajność wewnętrzna wskazuje, że zbyt wiele elektronów, które zostały podniesione do poziomu przewodzenia, tracą energię i ponownie przywiązuje się do atomu na poziomie wartościowości, procesie zwanym rekombinacją.Słaba wydajność zewnętrzna może być odzwierciedleniem słabej wydajności wewnętrznej, albo może oznaczać, że duże ilości światła docierającego do ogniwa są niedostępne do użycia, ponieważ jest odbijana przez komórkę lub może przejść przez nią.

Gdy elektrony zaczną się poruszaćDo pasma przewodzenia projekt ogniwa słonecznego kontroluje kierunek ich ruchu w celu stworzenia przepływu prądu stałego prądu.Ponieważ wyższa wydajność kwantowa oznacza, że więcej elektronów może wejść do pasma przewodnictwa i zostać skutecznie zebranym, wyższa wydajność umożliwia generowanie większej mocy.Większość ogniw słonecznych jest zaprojektowana w celu maksymalizacji wydajności kwantowej w długości fali światła najczęstszych w atmosferze Ziemi, a mianowicie widmu widzialnego, chociaż opracowano również wyspecjalizowane ogniwa słoneczne do wykorzystania w podczerwieni lub światła ultrafioletowe.