क्वांटम दक्षता

क्वांटम दक्षता (क्यूई) शब्द एक फोटोजेंसिव डिवाइस के परिवर्तित इलेक्ट्रॉन (आईपीसीई) अनुपात में घटना फोटॉन पर लागू हो सकता है या यह चुंबकीय सुरंग जंक्शन के टीएमआर प्रभाव को संदर्भित कर सकता है।

यह आलेख शब्द के साथ प्रकाश के लिए डिवाइस की विद्युत संवेदनशीलता के माप के रूप में कार्य करता है। चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) में यह डिवाइस की फोटोरिएक्टिव सतह को मारने वाले फोटॉन का प्रतिशत है जो चार्ज वाहक उत्पन्न करता है। यह इलेक्ट्रॉन प्रति फोटॉन या प्रति वाट एएमपीएस में मापा जाता है। चूंकि एक फोटॉन की ऊर्जा इसके तरंग दैर्ध्य के विपरीत आनुपातिक है, इसलिए प्रत्येक फोटॉन ऊर्जा स्तर पर डिवाइस की दक्षता को दर्शाने के लिए क्यूई को अक्सर विभिन्न तरंग दैर्ध्य की एक श्रृंखला पर मापा जाता है। बैंड अंतर के नीचे ऊर्जा के साथ फोटॉन के लिए क्यूई शून्य है। फोटोग्राफिक फिल्म में आमतौर पर 10% से कम का क्यूई होता है, जबकि कुछ तरंगदैर्ध्य पर सीसीडी के पास 90% से अधिक का क्यूई हो सकता है।

सौर कोशिकाओं में से
एक सौर सेल का क्वांटम दक्षता मान उस विशेष तरंगदैर्ध्य के फोटॉन द्वारा विकिरणित होने पर सेल की वर्तमान मात्रा की मात्रा को इंगित करता है। यदि सेल की क्वांटम दक्षता पूरे सौर विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम पर एकीकृत है, तो सूर्य की रोशनी के संपर्क में आने वाले सेल की वर्तमान मात्रा का मूल्यांकन कर सकते हैं। इस ऊर्जा-उत्पादन मूल्य और सेल के लिए उच्चतम संभावित ऊर्जा उत्पादन मूल्य के बीच अनुपात (यानी, यदि पूरे स्पेक्ट्रम पर क्यूई 100% था) सेल की समग्र ऊर्जा रूपांतरण दक्षता मान देता है। ध्यान दें कि एकाधिक उत्तेजना पीढ़ी (एमईजी) की स्थिति में, 100% से अधिक की क्वांटम क्षमताएं हासिल की जा सकती हैं क्योंकि घटना फोटॉन बैंड बैंड की दो गुना से अधिक है और प्रति घटना फोटॉन के दो या दो से अधिक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बना सकते हैं।

प्रकार
सौर सेल की दो प्रकार की क्वांटम दक्षता को अक्सर माना जाता है:
बाहरी क्वांटम क्षमता (ईक्यूई) सौर सेल द्वारा एकत्रित चार्ज वाहकों की संख्या का अनुपात बाहरी कोशिका (बाहरी फोटॉन) से सौर सेल पर चमकती किसी भी ऊर्जा के फोटोनों की संख्या के अनुपात का अनुपात है।

आंतरिक क्वांटम क्षमता (आईक्यूई) सौर सेल द्वारा एकत्रित चार्ज वाहकों की संख्या का अनुपात है जो किसी भी ऊर्जा के फोटोनों की संख्या से बाहर है जो सौर सेल पर चमकती है और कोशिका द्वारा अवशोषित होती है।

आईक्यूई हमेशा ईक्यूई से बड़ा होता है। एक कम IQE इंगित करता है कि सौर सेल की सक्रिय परत फोटॉन का अच्छा उपयोग करने में असमर्थ है। आईक्यूई को मापने के लिए, पहला सौर उपकरण के ईक्यूई को मापता है, फिर इसके संचरण और प्रतिबिंब को मापता है, और इन आंकड़ों को IQE का अनुमान लगाने के लिए जोड़ता है।

बाहरी क्वांटम दक्षता इसलिए प्रकाश के अवशोषण और शुल्कों के संग्रह दोनों पर निर्भर करती है। एक बार एक फोटॉन अवशोषित हो गया है और एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी उत्पन्न की है, इन आरोपों को जंक्शन में अलग और एकत्र किया जाना चाहिए। एक “अच्छी” सामग्री चार्ज पुनर्संरचना से बचाती है। चार्ज रीकॉम्बिनेशन बाहरी क्वांटम दक्षता में एक बूंद का कारण बनता है।

आदर्श क्वांटम दक्षता ग्राफ में एक वर्ग आकार होता है, जहां क्यूई मान मापा तरंग दैर्ध्य के पूरे स्पेक्ट्रम में काफी स्थिर होता है। हालांकि, अधिकांश सौर कोशिकाओं के लिए क्यूई पुनर्मूल्यांकन के प्रभावों के कारण कम हो जाती है, जहां चार्ज वाहक बाह्य सर्किट में स्थानांतरित नहीं कर पा रहे हैं। संग्रह की संभावना को प्रभावित करने वाली वही तंत्र भी क्यूई को प्रभावित करती हैं। उदाहरण के लिए, सामने की सतह को संशोधित करने से सतह के पास उत्पन्न वाहक प्रभावित हो सकते हैं। और क्योंकि उच्च ऊर्जा (नीली) प्रकाश सतह के बहुत करीब अवशोषित हो जाती है, सामने की सतह पर काफी पुनर्मूल्यांकन क्यूई के “नीले” हिस्से को प्रभावित करेगा। इसी प्रकार, सौर ऊर्जा के बड़े हिस्से में कम ऊर्जा (हरा) प्रकाश अवशोषित होता है, और कम प्रसार की लंबाई सौर सेल थोक से संग्रह संभावना को प्रभावित करती है, जिससे स्पेक्ट्रम के हरे हिस्से में क्यूई को कम किया जाता है। आम तौर पर, बाजार पर सौर कोशिकाएं पराबैंगनी और अवरक्त प्रकाश (क्रमश: <400 एनएम और> 1100 एनएम तरंगदैर्ध्य) से अधिक बिजली का उत्पादन नहीं करती हैं; प्रकाश के इन तरंग दैर्ध्य या तो फ़िल्टर किए जाते हैं या सेल द्वारा अवशोषित होते हैं, इस प्रकार सेल को गर्म करते हैं। वह गर्मी ऊर्जा बर्बाद हो जाती है, और सेल को नुकसान पहुंचा सकती है।
छवि सेंसर की क्वांटम दक्षता: क्वांटम दक्षता (क्यूई) फोटॉन प्रवाह का अंश है जो एक फोटोडेक्टर या पिक्सेल में फोटोकुरेंट में योगदान देता है। क्वांटम दक्षता एक डिटेक्टर की गुणवत्ता का मूल्यांकन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे महत्वपूर्ण मानकों में से एक है और इसे अक्सर तरंग दैर्ध्य निर्भरता को दर्शाने के लिए वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया कहा जाता है। इसे प्रति घटना फोटॉन द्वारा बनाए गए सिग्नल इलेक्ट्रॉनों की संख्या के रूप में परिभाषित किया जाता है।कुछ मामलों में यह 100% से अधिक हो सकता है (यानी जब प्रति घटना फोटॉन प्रति एक से अधिक इलेक्ट्रॉन बनाया जाता है)।

ईक्यूई मानचित्रण: ईक्यूई का पारंपरिक माप समग्र डिवाइस की दक्षता प्रदान करेगा। हालांकि डिवाइस के बड़े क्षेत्र में ईक्यूई का नक्शा रखना अक्सर उपयोगी होता है। यह मैपिंग नमूना में एकरूपता और / या दोषों को देखने के लिए एक प्रभावी तरीका प्रदान करता है। यह फोटोवोल्टिक एनर्जी (आईआरडीईपी) पर रिसर्चर एंड डेवलपमेंट संस्थान के शोधकर्ताओं द्वारा महसूस किया गया था, जिन्होंने एक हाइपर स्पेक्ट्रल इमेजर से ली गई इलेक्ट्रोल्यूमाइन्सेंस माप से ईक्यूई मैपिंग की गणना की थी।

स्पेक्ट्रल उत्तरदायित्व
स्पेक्ट्रल उत्तरदायित्व एक समान माप है, लेकिन इसमें विभिन्न इकाइयां हैं: एम्पियर प्रति वाट (ए / डब्ल्यू); (यानी दी गई ऊर्जा और तरंग दैर्ध्य के आने वाले फोटॉन के डिवाइस से कितना वर्तमान आता है)। क्वांटम दक्षता और उत्तरदायित्व दोनों फोटॉन के तरंग दैर्ध्य (सबस्क्रिप्ट λ द्वारा संकेतित) के कार्य हैं।
उत्तरदायित्व (आरएल, ए / डब्ल्यू में) से क्यूईईएल (स्केल 0 से 1 पर) में परिवर्तित करने के लिए:

जहां λ एनएम में तरंगदैर्ध्य है, एच प्लैंक स्थिर है, सी वैक्यूम में प्रकाश की गति है, और ई प्राथमिक शुल्क है।

चित्त की दृढ़ता

कहा पे  = उत्पादित इलेक्ट्रॉनों की संख्या,  = अवशोषित फोटॉनों की संख्या।

मान लें कि कमी की परत में अवशोषित प्रत्येक फोटॉन एक व्यवहार्य इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी उत्पन्न करता है, और अन्य सभी फोटॉन नहीं करते हैं,

जहां टी माप समय (सेकंड में) है,  = वाट में घटना ऑप्टिकल शक्ति घटना,  = ऑप्टिकल पावर घटाने की परत में अवशोषित, वाट में भी।

स्पेक्ट्रल संवेदनशीलता
समान आकार, एम्पियर प्रति वाट की इकाइयों में फोटोोडियोड्स, सौर कोशिकाओं या फोटोकैथोड के लिए अन्य के साथ मापा जाता है, को वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया (एसआर) के रूप में जाना जाता है:

जिसमें  प्रकाश उत्पादन एक विशिष्ट तरंगदैर्ध्य पर है।
क्वांटम दक्षता के साथ कनेक्शन  है:

कारण  है  ए / डब्ल्यू में वर्णक्रमीय संवेदनशीलता और एम में तरंगदैर्ध्य के लिए।

मापने सिद्धांत
क्वांटम दक्षता के माप के लिए (पूर्ण) विकिरणित प्रकाश शक्ति / फोटॉन संख्या का सटीक ज्ञान आवश्यक है। यह आमतौर पर एक मापने वाले डिवाइस द्वारा प्राप्त किया जाता है जिसमें ज्ञात क्वांटम दक्षता (कैलिब्रेटेड) तुलना रिसीवर होती है,  , कैलिब्रेटेड है। यह तब लागू होता है:

जिसमें  वर्तमान परीक्षण कक्ष के लिए मापा जाता है और  तुलनात्मक सेल के लिए वर्तमान मापा जाता है।

मापन सेटअप
रोशनी के लिए, तरंग दैर्ध्य अंतराल चुनने के लिए एक प्रकाश स्रोत (क्सीनन और / या हलोजन लैंप) और एक मोनोक्रोमैटर आवश्यक है। उपयुक्त monochromators फिल्टर monochromators या जाली monochromators हैं।मोनोक्रोमैटिक लाइट को रिसीवर सतह पर यथासंभव समरूप रूप से पारित किया जाता है।

सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करने के लिए सिग्नल का माप अक्सर लॉक-इन एम्पलीफायरों के साथ किया जाता है; इस उद्देश्य के लिए, प्रकाश संकेत को ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर के साथ आवधिक रूप से मॉड्यूल किया जाना चाहिए (स्पंदित)।

क्वांटम दक्षता बनाम क्वांटम यील्ड
ऐसे दो कारक हैं जो क्वांटम प्रेरित प्रक्रिया को अपनी दक्षता में सीमित करते हैं:
वास्तव में प्रभावी होने वाले फोटॉनों की दर (शेष किसी अन्य तरीके से अवशोषित होती है)
फोटॉन को स्थानांतरित करने की ऊर्जा का अनुपात (मल्टीफोटन अवशोषण के अलावा, केवल एक फोटॉन शामिल होगा): उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा घटना फोटॉन की तुलना में स्टोक्स शिफ्ट से कम होगी।
व्यवहारिक महत्व

अन्य चीजों के अलावा, क्वांटम उपज फोटोडियोड्स, फोटोकॉल्स के फोटोकाथोड, छवि तीव्रता और फोटोमल्टीप्लायरों के लक्षण के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन फॉस्फोर, फाइबर लेजर और अन्य (हल्के पंप वाले) ठोस-राज्य लेजर भी हैं।
फोटोकैथोड की क्वांटम दक्षता 50% से अधिक मूल्यों तक पहुंच सकती है। वर्तमान शिखर मूल्य हैं:

213 एनएम पर सीएस 2 टी: ~ 20%
460 के आसपास GaAsP … 540 एनएम: ~ 50%
550 के आसपास GaAs … 720 एनएम: ~ 25%
आईएनपी – InGaAsP सिर्फ 1000 एनएम से अधिक: ~ 1%

सिंगल-क्रिस्टल फोटोोडियोड्स की क्वांटम दक्षता 90% तक पहुंच सकती है; monocrystalline सिलिकॉन photodiodes 900 एनएम के इष्टतम रिसेप्शन तरंग दैर्ध्य पर लगभग 0.5 ए / डब्ल्यू की एक वर्णक्रमीय संवेदनशीलता प्राप्त; सौर कोशिकाएं आमतौर पर इस मूल्य तक नहीं पहुंचती हैं – वे पॉलीक्रिस्टलाइन या असंगत हैं, और उनकी दक्षता दृश्य स्पेक्ट्रल रेंज (सूरज की रोशनी) में सबसे व्यापक संभव सीमा के लिए अनुकूलित है।
2 से 42% के विश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली फ्लोरोसेंट रंगों की क्वांटम उपज होती है, जो दृढ़ता से उपयोग किए गए समाधान पर निर्भर करती हैं। डाई इंडोकार्बोसाइनिन का 678 एनएम (लाल) की उत्तेजना तरंगदैर्ध्य पर 28% का मूल्य होता है और प्रतिदीप्ति अधिकतम 703 एनएम पर होता है।

रोशनी प्रयोजनों (ठंड कैथोड फ्लोरोसेंट लैंप (सीसीएफएल), फ्लोरोसेंट लैंप, सफेद एल ई डी) के लिए उपयोग किए जाने वाले फॉस्फोर की क्वांटम दक्षता विभिन्न स्रोतों के अनुसार 100% के करीब है। हेनिंग होपपे के अनुसार, 253.65 एनएम (पारा वाष्प गैस निर्वहन) और 450 एनएम (नीला एलईडी) के उत्तेजना तरंग दैर्ध्य पर 70 से 9 0% की क्वांटम पैदावार होती है।

क्वांटम उपज प्रकाश संश्लेषण और कृषि फसलों की उत्पादकता में भी भूमिका निभाती है।