Il termine efficienza quantica (QE) può applicarsi al rapporto fotone incidente al rapporto dell’elettrone convertito (IPCE), di un dispositivo fotosensibile o può riferirsi all’effetto TMR di una giunzione a tunnel magnetico.

Questo articolo tratta il termine come misura della sensibilità elettrica di un dispositivo alla luce. In un dispositivo con accoppiamento di carica (CCD) è la percentuale di fotoni che colpiscono la superficie fotoreattiva del dispositivo che produce portatori di carica. Viene misurato in elettroni per fotone o ampere per watt. Poiché l’energia di un fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda, il QE viene spesso misurato su un intervallo di diverse lunghezze d’onda per caratterizzare l’efficienza di un dispositivo a ciascun livello di energia del fotone. Il QE per i fotoni con energia al di sotto del band gap è zero. Il film fotografico ha tipicamente un QE di molto inferiore al 10%, mentre i CCD possono avere un QE di ben oltre il 90% ad alcune lunghezze d’onda.

Di celle solari
Il valore di efficienza quantica di una cella solare indica la quantità di corrente che la cella produrrà quando irradiata da fotoni di una particolare lunghezza d’onda. Se l’efficienza quantica della cellula è integrata su tutto lo spettro elettromagnetico solare, si può valutare la quantità di corrente che la cella produrrà quando esposta alla luce solare. Il rapporto tra questo valore di produzione di energia e il valore di produzione di energia più alto possibile per la cella (cioè, se il QE fosse del 100% sull’intero spettro) fornisce il valore complessivo di efficienza di conversione dell’energia della cella.Si noti che nel caso di generazione di eccitoni multipli (MEG), è possibile ottenere efficienze quantistiche superiori al 100% poiché i fotoni incidenti hanno più del doppio dell’energia del gap di banda e possono creare due o più coppie di elettroni-lacune per fotone incidente.

tipi
Vengono spesso considerati due tipi di efficienza quantica di una cella solare:
Efficienza Quantica Esterna (EQE) è il rapporto tra il numero di portatori di carica raccolti dalla cella solare e il numero di fotoni di una data energia che splende dalla cella solare dall’esterno (fotoni incidenti).

Efficienza Quantica Interna (IQE) è il rapporto tra il numero di portatori di carica raccolti dalla cella solare e il numero di fotoni di una data energia che brillano sulla cella solare dall’esterno e vengono assorbiti dalla cellula.

L’IQE è sempre più grande dell’EQE. Un IQE basso indica che lo strato attivo della cella solare non è in grado di fare buon uso dei fotoni. Per misurare l’IQE, uno misura prima l’EQE del dispositivo solare, quindi ne misura la trasmissione e il riflesso e combina questi dati per dedurre l’IQE.

L’efficienza quantica esterna dipende quindi sia dall’assorbimento della luce che dalla raccolta di cariche. Una volta che un fotone è stato assorbito e ha generato una coppia di elettroni, queste cariche devono essere separate e raccolte alla giunzione. Un materiale “buono” evita la ricombinazione della carica. La ricombinazione di carica causa una caduta dell’efficienza quantica esterna.

Il grafico di efficienza quantica ideale ha una forma quadrata, in cui il valore di QE è abbastanza costante attraverso l’intero spettro di lunghezze d’onda misurate. Tuttavia, il QE per la maggior parte delle celle solari è ridotto a causa degli effetti della ricombinazione, in cui i portatori di carica non sono in grado di spostarsi in un circuito esterno. Gli stessi meccanismi che influenzano la probabilità di raccolta influenzano anche il QE. Ad esempio, la modifica della superficie anteriore può influire sui portatori generati vicino alla superficie. E poiché la luce ad alta energia (blu) viene assorbita molto vicino alla superficie, una ricombinazione considerevole sulla superficie anteriore influirà sulla porzione “blu” del QE. Allo stesso modo, la luce di energia più bassa (verde) viene assorbita nella maggior parte di una cella solare e una bassa lunghezza di diffusione influenzerà la probabilità di raccolta dalla massa cellulare solare, riducendo il QE nella porzione verde dello spettro.Generalmente, le celle solari sul mercato oggi non producono molta elettricità da luce ultravioletta e infrarossa (lunghezze d’onda <400 nm e> 1100 nm, rispettivamente); queste lunghezze d’onda della luce vengono filtrate o assorbite dalla cella, riscaldando così la cella. Quel calore è energia sprecata e potrebbe danneggiare la cella.
Efficienza quantistica dei sensori di immagine: l’efficienza quantica (QE) è la frazione del flusso di fotoni che contribuisce alla fotocorrente in un fotorivelatore o in un pixel. L’efficienza quantica è uno dei parametri più importanti utilizzati per valutare la qualità di un rivelatore ed è spesso chiamata la risposta spettrale per riflettere la sua dipendenza dalla lunghezza d’onda. È definito come il numero di elettroni di segnale creati per fotone incidente. In alcuni casi può superare il 100% (cioè quando viene creato più di un elettrone per fotone incidente).

Mappatura EQE: la misurazione convenzionale dell’EQE fornirà l’efficienza dell’intero dispositivo.Tuttavia è spesso utile avere una mappa dell’EQE su un’ampia area del dispositivo. Questa mappatura fornisce un modo efficace per visualizzare l’omogeneità e / oi difetti nel campione. È stato realizzato dai ricercatori dell’Istituto di ricerca e sviluppo sull’energia fotovoltaica (IRDEP) che hanno calcolato la mappatura EQE dalle misure di elettroluminescenza eseguite con un imager iperspettrale.

Responsività spettrale
La reattività spettrale è una misura simile, ma ha unità diverse: ampere per watt (A / W); (ovvero quanta corrente esce dal dispositivo per ogni fotone entrante di una determinata energia e lunghezza d’onda). Sia l’efficienza quantica che la risposta sono funzioni della lunghezza d’onda dei fotoni (indicata dal pedice λ).
Per convertire da responsività (Rλ, in A / W) a QEλ (su una scala da 0 a 1):

dove λ è la lunghezza d’onda in nm, h è la costante di Planck, c è la velocità della luce nel vuoto, ed e è la carica elementare.

Determinazione

dove  = numero di elettroni prodotti,  = numero di fotoni assorbiti.

Supponendo che ogni fotone assorbito nello strato di deplezione produca una coppia di elettroni-buco vitale, e tutti gli altri fotoni no,

dove t è il tempo di misurazione (in secondi),  = potenza ottica incidente in watt,  = potenza ottica assorbita nello strato di esaurimento, anche in watt.

Sensibilità spettrale
La stessa dimensione, misurata tra l’altro per i fotodiodi, le celle solari o i fotocatodi in unità di ampere per watt, viene indicata come risposta spettrale (SR):

in quale  l’emissione luminosa è a una lunghezza d’onda specifica.
La connessione con l’efficienza quantica  è:

Il fattore  è  per una sensibilità spettrale in A / W e lunghezza d’onda in m.

Principio di misurazione
Per la misurazione dell’efficienza quantistica è necessaria la conoscenza esatta del numero di fotoni / fotoni irradiati (assoluti). Ciò è solitamente ottenuto da un dispositivo di misurazione con l’efficienza quantica nota di un ricevitore di confronto (calibrato),  , è calibrato. Quindi si applica:

in quale  la corrente misurata per la cella di prova e  sono la corrente misurata per la cella comparativa.

Configurazione della misurazione
Per l’illuminazione sono necessarie una fonte di luce (xeno e / o lampada alogena) e un monocromatore per la selezione degli intervalli di lunghezza d’onda. Monocromatori adatti sono monocromatori a filtro o monocromatori a reticolo. La luce monocromatica viene trasmessa il più omogeneamente possibile sulla superficie del ricevitore da testare.

La misurazione del segnale viene spesso eseguita con amplificatori lock-in per migliorare il rapporto segnale-rumore; A tale scopo, il segnale luminoso deve essere periodicamente modulato (pulsato) con un chopper ottico.

Efficienza quantistica rispetto a Quantum Yield
Ci sono due fattori che limitano un processo quantico nella sua efficienza:
il tasso di fotoni che effettivamente ha effetto (il resto viene assorbito in un altro modo)
la proporzione dell’energia trasferita dal fotone (a parte l’assorbimento multifotone, sarà coinvolto solo un fotone): l’energia del fotone emesso sarà inferiore dallo spostamento di Stokes rispetto a quella del fotone incidente.
Significato pratico

Tra le altre cose, la resa quantica è importante per la caratterizzazione di fotodiodi, fotocatodi di fotocellule, intensificatori di immagini e fotomoltiplicatori, ma anche di fosfori, laser a fibra e altri laser a stato solido (a pompaggio leggero).
L’efficienza quantica dei fotocatodi può raggiungere valori superiori al 50%. I valori di picco attuali sono:

Cs 2 Te a 213 nm: ~ 20%
GaAsP intorno al 460 … 540 nm: ~ 50%
GaAs intorno a 550 … 720 nm: ~ 25%
InP – InGaAsP poco più di 1000 nm: ~ 1%

L’efficienza quantica dei fotodiodi monocristallini può raggiungere il 90%; i fotodiodi al silicio monocristallino raggiungono una sensibilità spettrale di circa 0,5 A / W alla lunghezza d’onda di ricezione ottimale intorno a 900 nm; Solitamente le celle solari non raggiungono questo valore: sono policristallini o amorfi e la loro efficienza è ottimizzata per la gamma più ampia possibile nell’intervallo spettrale visibile (luce solare).
Ci sono rese quantistiche dei coloranti fluorescenti utilizzati per l’analisi dal 2 al 42%, che dipendono fortemente dalla soluzione utilizzata. Il colorante indocarbocianina ha un valore del 28% a una lunghezza d’onda di eccitazione di 678 nm (rosso) e un massimo di fluorescenza a 703 nm.

L’efficienza quantica dei fosfori utilizzati per scopi di illuminazione (lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL), lampade fluorescenti, LED bianchi) è vicina al 100% in base alle diverse fonti.Secondo Henning Höppe, ci sono rese quantiche del 70-90% a lunghezze d’onda di eccitazione di 253,65 nm (scarica di gas a vapore di mercurio) e 450 nm (LED blu).

Anche la resa quantica gioca un ruolo nella fotosintesi e nella produttività delle colture agricole.