كفائة ذرية

قد ينطبق مصطلح الكفاءة الكمية (QE) على الفوتون الناشئ على نسبة الإلكترون المحولة (IPCE) ، لجهاز حساس أو قد يشير إلى تأثير TMR لمفرق نفق مغناطيسي.

تتناول هذه المقالة المصطلح كقياس للحساسية الكهربائية للجهاز للضوء. في جهاز الشحن المزدوج (CCD) ، هي النسبة المئوية للفوتونات التي تصطدم بسطح الجهاز الضوئي الذي يُنتج ناقلات الشحن. يتم قياسه بالإلكترونات لكل فوتون أو أمبير لكل واط. وبما أن طاقة الفوتون تتناسب عكسياً مع طول موجته ، فغالباً ما يتم قياس التيسير الكمي عبر نطاق من الأطوال الموجية المختلفة لتوصيف كفاءة الجهاز عند كل مستوى طاقة للفوتون. إن التيسير الكمي للفوتونات ذات الطاقة تحت فجوة النطاق هو صفر. عادةً ما يحتوي الفيلم الضوئي على نسبة تسعير كمي أقل بكثير من 10٪ ، في حين أن CCDs يمكن أن يكون لها QE أكثر من 90٪ عند بعض الأطوال الموجية.

من الخلايا الشمسية
تشير قيمة الكفاءة الكمية في الخلية الشمسية إلى مقدار التيار الذي ستنتجه الخلية عند تشعيعها بفوتونات ذات طول موجي معين. إذا تم دمج الكفاءة الكمية للخلية على كامل الطيف الكهرومغناطيسي الشمسي ، يمكن للمرء تقييم كمية التيار التي ستنتجها الخلية عند تعرضها لأشعة الشمس. إن النسبة بين قيمة إنتاج الطاقة هذه وأعلى قيمة ممكنة لإنتاج الطاقة بالنسبة للخلية (أي إذا كان التيسير الكمي 100٪ على كامل الطيف) تعطي قيمة كفاءة تحويل الطاقة الكلية للخلية. لاحظ أنه في حالة توليد الإيثيلين المتعدد (MEG) ، يمكن تحقيق كفاءة كمية أكبر من 100٪ لأن الفوتونات التي تحدث لها أكثر من ضعف طاقة فجوة النطاق ويمكن أن تخلق زوجين أو أكثر من أزواج الإلكترون في كل فوتون.

أنواع
غالبا ما يتم النظر في نوعين من الكفاءة الكمية للخلية الشمسية:
الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) هي نسبة عدد حاملات الشحنة التي تجمعها الخلية الشمسية إلى عدد الفوتونات من طاقة معينة تسطع على الخلية الشمسية من الخارج (الفوتونات العارضة).

الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) هي نسبة عدد حاملات الشحنة التي تجمعها الخلية الشمسية إلى عدد الفوتونات من طاقة معينة والتي تلمع على الخلية الشمسية من الخارج وتمتصها الخلية.

يكون IQE دائمًا أكبر من EQE. يشير معدل الذكاء المنخفض إلى أن الطبقة النشطة للخلية الشمسية غير قادرة على الاستفادة من الفوتونات.لقياس معدل الذكاء IQE ، يقيس المرء أولاً EQE من الجهاز الشمسي ، ثم يقيس انتقاله وانعكاسه ، ويجمع هذه البيانات لاستنتاج IQE.

تعتمد الكفاءة الكمية الخارجية على كل من امتصاص الضوء وجمع الشحنات. وبمجرد امتصاص الفوتون وتوليد زوج من الثقوب الإلكترونية ، يجب فصل هذه الشحنات وجمعها عند التقاطع. المواد “الجيدة” تتجنب إعادة تجميع الشحنات. إعادة تشكيل تهمة يسبب انخفاض في الكفاءة الكم الخارجية.

الرسم البياني المثالي لكفاءة الكم له شكل مربع ، حيث تكون قيمة التيسير الكمي ثابتة إلى حد ما عبر الطيف الكامل للأطوال الموجية المقيسة.ومع ذلك ، يتم تقليل التيسير الكمي لمعظم الخلايا الشمسية بسبب تأثيرات إعادة التركيب ، حيث لا تتمكن شركات الشحن من الانتقال إلى دائرة خارجية. كما تؤثر نفس الآليات التي تؤثر على احتمالية التحصيل على التيسير الكمي. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤثر تعديل السطح الأمامي على الموجات الحاملة التي تم إنشاؤها بالقرب من السطح. ولأن الضوء (الأزرق) عالي الطاقة يمتص قريبًا جدًا من السطح ، فإن إعادة التركيب الكبيرة في السطح الأمامي ستؤثر على الجزء “الأزرق” من التيسير الكمي. وبالمثل ، يمتص ضوء الطاقة الأقل (الأخضر) في الجزء الأكبر من الخلايا الشمسية ، وسيؤثر طول الانتشار المنخفض على احتمالية التجميع من كتلة الخلايا الشمسية ، مما يقلل من التيسير الكمي في الجزء الأخضر من الطيف. بشكل عام ، لا تنتج الخلايا الشمسية في السوق اليوم الكثير من الكهرباء من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء (<400 نانومتر و> 1100 نانومتر طول موجي ، على التوالي) ؛ يتم إما تصفية هذه الأطوال الموجية من الضوء أو يتم امتصاصها من قبل الخلية ، وبالتالي تسخين الخلية. هذه الحرارة تهدر الطاقة ، ويمكن أن تلحق الضرر بالخلية.
الكفاءة الكمية لمستشعرات الصورة: الكفاءة الكمية (QE) هي جزء من تدفق الفوتون الذي يساهم في photocurrent في photodetector أو بكسل. الكفاءة الكمية هي واحدة من أهم المعايير المستخدمة لتقييم جودة الكاشف وغالبا ما تسمى الاستجابة الطيفية لتعكس اعتمادها على طول الموجة. يتم تعريفه على أنه عدد إلكترونات الإشارة التي تم إنشاؤها في الفوتون المتسبب في الحادث. في بعض الحالات ، يمكن أن يتجاوز 100 ٪ (أي عندما يتم إنشاء أكثر من إلكترون واحد لكل فوتون حادث).

تخطيط EQE: سيعطي القياس التقليدي لمعيار EQE كفاءة الجهاز ككل. ومع ذلك ، فغالباً ما يكون من المفيد الحصول على خريطة EQE على مساحة كبيرة من الجهاز. يوفر هذا التعيين طريقة فعالة لتصور التجانس و / أو العيوب في العينة. تم تحقيقه بواسطة باحثين من معهد الباحث والتطوير في الطاقة الكهروضوئية (IRDEP) الذين قاموا بحساب رسم EQE من قياسات اللمعة الكهربائية التي تم التقاطها باستخدام جهاز تصوير طيفي.

الاستجابة الطيفية
والاستجابة الطيفية هي قياس مماثل ، ولكن لها وحدات مختلفة: الأمبيرات لكل واط (A / W) ؛ (أي مقدار التيار الخارج من الجهاز لكل فوتون وارد من طاقة معينة وطول موجة). كل من الكفاءة الكمية والاستجابة هي وظائف الطول الموجي للفوتونات (المشار إليها بالفقرة λ).
للتحويل من استجابة (Rλ ، في A / W) إلى QEλ (على مقياس من 0 إلى 1):

حيث λ هو الطول الموجي في nm ، h هو ثابت بلانك ، c هي سرعة الضوء في الفراغ ، و e هي الشحنة الأولية.

عزم

أين  = عدد الإلكترونات المنتجة ،  = عدد الفوتونات الممتصة.

بافتراض أن كل فوتون يمتص في طبقة النضوب ينتج زوجًا قابلاً للحياة بالإلكترون ، وكل الفوتونات الأخرى لا تفعل ذلك ،

حيث t هو وقت القياس (بالثواني) ،  = الطاقة الضوئية للحادث بالوات ،  = الطاقة الضوئية الممتصة في طبقة الاستنفاد ، وأيضاً بالوات.

حساسية الطيفية
ويشار إلى نفس الحجم ، الذي يُقاس ، ضمن جملة أمور ، للضوضاء الضوئية أو الخلايا الشمسية أو photocathodes بوحدات الأمبير لكل واط ، باسم الاستجابة الطيفية (SR):

بحيث  يكون ناتج الضوء عند طول موجة محدد.
الاتصال مع الكفاءة الكمية  هو:

العامل  هو  للحساسية الطيفية في A / W وطول الموجة في m.

مبدأ القياس
من أجل قياس الكفاءة الكمية ، فإن المعرفة الدقيقة لقوة / ضوء الفوتون (المطلقة) المشعّة (المطلقة) ضرورية. يتم تحقيق ذلك عادة عن طريق جهاز قياس له الكفاءة الكمية المعروفة لمستقبِل المقارنة (المعاير) ،  ، يتم معايرته. ثم ينطبق:

بحيث  التيار المقاس لخلية الاختبار و  يتم قياس التيار للخلية المقارنة.

إعداد القياس
للإضاءة ، من الضروري وجود مصدر ضوء (مصباح زينون و / أو مصباح هالوجين) وواحد أحادي لتحديد فترات الطول الموجي. أحادية اللون مناسبة هي أحادي اللون مرشح أو أحادية اللون شعرية. يتم تمرير الضوء أحادي اللون بشكل متجانس قدر الإمكان على سطح المستقبِل المراد اختباره.

غالبًا ما يتم قياس الإشارة باستخدام مضخمات غلقية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء ؛ لهذا الغرض ، يجب أن تكون إشارة الضوء مشكّلة دوريًا (نابضة) مع مروحية ضوئية.

الكفاءة الكمية مقابل العائد الكمومي
هناك عاملان يحدان من عملية الكم المحرض في كفاءته:
معدل الفوتونات التي تسري بالفعل (يتم امتصاص الباقي بطريقة أخرى)
نسبة طاقة الفوتون التي يتم نقلها (بصرف النظر عن امتصاص multiphoton ، لن يشارك سوى فوتون واحد فقط): طاقة الفوتون المنبعث ستكون أقل من حركة Stokes مقارنة بفوتون الحادث.
أهمية عملية

من بين أشياء أخرى ، فإن العائد الكمومي مهم لتوصيف الديودات الضوئية ، photocathodes من الخلايا الضوئية ، مكبرات الصورة و photomultipliers ، ولكن أيضا من الفوسفور والليزر الليفي وغيرها من ليزر الحالة الصلبة (ضخ الضوء).
يمكن للكفاءة الكمية من photocathodes الوصول إلى قيم أكثر من 50 ٪. قيم الذروة الحالية هي:

Cs 2 Te عند 213 نانومتر: ~ 20٪
GaAsP حول 460 … 540 نانومتر: ~ 50٪
GaAs حوالي 550 … 720 نانومتر: ~ 25٪
InP – InGaAsP ما يزيد قليلاً عن 1000 نانومتر: ~ 1٪

يمكن أن تصل الكفاءة الكمية من الثنائيات الباثودية الواحدة إلى 90٪ ؛ يحقق ثنائيات السيليكون أحادية البلورية حساسية طيفية تبلغ حوالي 0،5 A / W عند طول استقبال مثالي يبلغ حوالي 900 نانومتر ؛ لا تصل الخلايا الشمسية عادة إلى هذه القيمة – فهي متعددة البلورات أو غير متبلرة ، ويتم تحسين كفاءتها إلى أقصى مدى ممكن في المدى الطيفي المرئي (ضوء الشمس).
هناك غلة كمية من الأصباغ الفلورية المستخدمة لتحليل 2 إلى 42 ٪ ، والتي تعتمد بقوة على الحل المستخدم. تبلغ قيمة indocarbocyanine الصبغة 28٪ عند طول موجة استثارة يبلغ 678 نانومتر (أحمر) وحد أقصى مضان عند 703 نانومتر.

إن الكفاءة الكمية للفوسفورات المستخدمة لأغراض الإضاءة (مصابيح الفلورسنت الكاثودية الباردة (CCFL) ، المصابيح الفلورية ، المصابيح البيضاء) قريبة من 100٪ وفقاً لمصادر مختلفة. ووفقاً لهينينغ هوب ، توجد غلة كمية تتراوح بين 70 و 90٪ عند أطوال موجية تثير 253.65 نانومتر (تصريف غاز الزئبق) و 450 نانومتر (الصمام الأزرق).

يلعب العائد الكمومي أيضًا دورًا في التمثيل الضوئي وإنتاجية المحاصيل الزراعية.