Quantum effektivitet - Quantum efficiency

En graf, der viser variation i kvanteeffektivitet med bølgelængde af en CCD -chip fra Wide Field og Planetary Camera 2 , tidligere installeret på Hubble -rumteleskopet .

Udtrykket kvanteeffektivitet ( QE ) kan gælde for indbyrdes forhold mellem foton og konverteret elektron (IPCE) for en lysfølsom enhed , eller det kan referere til TMR -effekten af et Magnetic Tunnel Junction.

Denne artikel omhandler udtrykket som en måling af en enheds elektriske lysfølsomhed. I en ladningskoblet enhed (CCD) eller en anden fotodetektor er det forholdet mellem antallet af ladningsbærere, der er opsamlet ved hver terminal, og antallet af fotoner, der rammer enhedens fotoreaktive overflade. Som et forhold er QE dimensionsløs, men det er tæt forbundet med responsiviteten , der udtrykkes i ampere pr. Watt . Da energien af ​​en foton er omvendt proportional med dens bølgelængde , måles QE ofte over en række forskellige bølgelængder for at karakterisere en enheds effektivitet på hvert foton energiniveau. For typiske halvlederfotodetektorer falder QE til nul for fotoner, hvis energi er under båndgabet . En fotografisk film har typisk en QE på meget mindre end 10%, mens CCD'er kan have en QE på langt over 90% ved nogle bølgelængder.

Quantum effektivitet af solceller

En graf, der viser variation af intern kvanteeffektivitet, ekstern kvanteeffektivitet og reflektans med bølgelængde af en krystallinsk silicium solcelle.

En solcelles kvanteeffektivitetsværdi angiver mængden af ​​strøm, cellen vil producere, når den bestråles af fotoner med en bestemt bølgelængde. Hvis cellens kvanteeffektivitet er integreret over hele solens elektromagnetiske spektrum , kan man vurdere mængden af ​​strøm, som cellen vil producere, når den udsættes for sollys. Forholdet mellem denne energiproduktionsværdi og den højest mulige energiproduktionsværdi for cellen (dvs. hvis QE var 100% over hele spektret) giver cellens samlede energiomdannelseseffektivitetsværdi . Bemærk, at i tilfælde af multipel excitongenerering (MEG) kan der opnås kvanteeffektivitet på mere end 100%, da de indfaldende fotoner har mere end to gange båndgabsenergien og kan oprette to eller flere elektronhulpar pr. Indfaldende foton.

Typer

To typer kvanteeffektivitet af en solcelle betragtes ofte:

• Ekstern Quantum Efficiency (EQE) er forholdet mellem antallet af ladningsbærere, der indsamles af solcellen, til antallet af fotoner af en given energi, der skinner på solcellen udefra (indfaldende fotoner).
• Intern Quantum Efficiency (IQE) er forholdet mellem antallet af ladningsbærere, der indsamles af solcellen, til antallet af fotoner af en given energi, der skinner på solcellen udefra og absorberes af cellen.

IQE er altid større end EQE i det synlige spektrum. En lav IQE indikerer, at det aktive lag i solcellen ikke er i stand til at udnytte fotonerne godt, sandsynligvis på grund af dårlig bæreropsamlingseffektivitet. For at måle IQE måler man først EQE for solcelleanordningen, derefter måler dens transmission og refleksion og kombinerer disse data for at udlede IQE.

${\ displaystyle {\ text {EQE}} = {\ frac {\ text {electrons/sec}} {\ text {photons/sec}}} = {\ frac {{\ text {(current)}}/{\ tekst {(ladning af en elektron)}}} {({\ tekst {total effekt af fotoner}})/({\ tekst {energi af en foton}})}}}}}$

${\ displaystyle {\ text {IQE}} = {\ frac {\ text {elektroner/sek}} {\ tekst {absorberede fotoner/sek}}} = {\ frac {\ tekst {EQE}} {\ tekst {1 -Refleksion-transmission}}}}}$

Den eksterne kvanteeffektivitet afhænger derfor af både absorption af lys og indsamling af ladninger. Når en foton er blevet absorberet og har genereret et elektronhulspar, skal disse ladninger adskilles og opsamles ved krydset. Et "godt" materiale undgår ladningsrekombination. Opladningsrekombination forårsager et fald i den eksterne kvanteeffektivitet.

Den ideelle kvanteeffektivitetsgraf har en firkantet form , hvor QE -værdien er nogenlunde konstant over hele det målte bølgelængdespektrum. QE for de fleste solceller reduceres imidlertid på grund af virkningerne af rekombination, hvor ladningsbærere ikke er i stand til at bevæge sig ind i et eksternt kredsløb. De samme mekanismer, der påvirker indsamlingssandsynligheden, påvirker også QE. For eksempel kan ændring af den forreste overflade påvirke bærere genereret nær overfladen. Meget dopede forreste overfladelag kan også forårsage 'fri bærerabsorption', hvilket reducerer QE i de længere bølgelængder. Og fordi højenergi (blåt) lys absorberes meget tæt på overfladen, vil betydelig rekombination ved frontoverfladen påvirke den "blå" del af QE. På samme måde absorberes lavere energi (grønt) lys i hovedparten af ​​en solcelle, og en lav diffusionslængde vil påvirke indsamlingssandsynligheden fra solcellemassen og reducere QE i den grønne del af spektret. Generelt producerer solceller på markedet i dag ikke meget elektricitet fra ultraviolet og infrarødt lys (henholdsvis <400 nm og> 1100 nm bølgelængder); disse lysbølgelængder filtreres enten ud eller absorberes af cellen og opvarmer således cellen. Denne varme er spild af energi og kan beskadige cellen.

Kvanteffektivitet af billedsensorer  : Kvantumeffektivitet (QE) er den brøkdel af fotonflux, der bidrager til fotostrømmen i en fotodetektor eller en pixel. Kvanteffektivitet er en af ​​de vigtigste parametre, der bruges til at evaluere kvaliteten af ​​en detektor og kaldes ofte spektralresponsen for at afspejle dens bølgelængdeafhængighed. Det er defineret som antallet af signalelektroner, der er skabt pr. Indfaldende foton. I nogle tilfælde kan den overstige 100% (dvs. når der oprettes mere end én elektron pr. Indfaldende foton).

EQE -kortlægning  : Konventionel måling af EQE giver effektiviteten af ​​den samlede enhed. Det er dog ofte nyttigt at have et kort over EQE over et stort område af enheden. Denne kortlægning giver en effektiv måde at visualisere homogeniteten og/eller defekterne i prøven. Det blev realiseret af forskere fra Institute of Researcher and Development on Photovoltaic Energy (IRDEP), der beregnede EQE -kortlægningen fra elektroluminescensmålinger taget med en hyperspektral billedbehandler.

Spektral lydhørhed

Spektral respons er en lignende måling, men den har forskellige enheder: ampere pr. Watt (A/W); (dvs. hvor meget strøm der kommer ud af enheden pr indfaldende lys magt ). Responsivitet er normalt specificeret for monokromatisk lys (dvs. lys med en enkelt bølgelængde). Både kvanteeffektiviteten og responsiviteten er funktioner af fotonenes bølgelængde (angivet med abonnementet λ).

Sådan konverteres fra responsivitet ( R _λ , i A/W) til QE _λ (på en skala fra 0 til 1):

${\ displaystyle QE _ {\ lambda} = {\ frac {R _ {\ lambda}} {\ lambda}} \ gange {\ frac {hc} {e}} \ approx {\ frac {R _ {\ lambda}} {\ lambda}} {\ times} (1240 \; {\ rm {W}} \ cdot {\ rm {nm/A}})}$

hvor λ er bølgelængden i nm , h er Planck -konstanten , c er lysets hastighed i et vakuum, og e er den elementære ladning .

Beslutsomhed

${\ displaystyle QE _ {\ lambda} = \ eta = {\ frac {N_ {e}} {N _ {\ nu}}}}$

hvor = antal producerede elektroner = antal absorberede fotoner. ${\ displaystyle N_ {e}}$${\ displaystyle N _ {\ nu}}$

${\ displaystyle {\ frac {N _ {\ nu}} {t}} = \ Phi _ {o} {\ frac {\ lambda} {hc}}}$

Forudsat at hver foton, der absorberes i udtømningslaget, producerer et levedygtigt elektronhullepar, og alle andre fotoner gør det ikke,

${\ displaystyle {\ frac {N_ {e}} {t}} = \ Phi _ {\ xi} {\ frac {\ lambda} {hc}}}$

hvor t er måletiden (i sekunder), = optisk optisk effekt i watt, = optisk effekt absorberet i udtømningslag, også i watt. ${\ displaystyle \ Phi _ {o}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ xi}}$

Se også

• Optælling af effektivitet
• DQE (billeddannelse)
• Solcelleeffektivitet

Referencer