Eficiência quântica

O termo eficiência quântica (QE) pode aplicar-se a relação de fóton incidente para elétron convertido (IPCE), de um dispositivo fotossensível ou pode se referir ao efeito TMR de uma junção de túnel magnética.

Este artigo trata do termo como uma medida da sensibilidade elétrica de um dispositivo à luz. Em um dispositivo de carga acoplada (CCD), é a porcentagem de fótons que atingem a superfície fotorreativa do dispositivo que produzem portadores de carga. É medido em elétrons por fóton ou amps por watt. Como a energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, o QE é frequentemente medido em uma faixa de diferentes comprimentos de onda para caracterizar a eficiência de um dispositivo em cada nível de energia do fóton. O QE para fótons com energia abaixo do gap é zero. O filme fotográfico geralmente tem um QE de muito menos que 10%, enquanto os CCDs podem ter um QE de mais de 90% em alguns comprimentos de onda.

De células solares
O valor de eficiência quântica de uma célula solar indica a quantidade de corrente que a célula produzirá quando for irradiada por fótons de um determinado comprimento de onda. Se a eficiência quântica da célula é integrada ao longo de todo o espectro eletromagnético solar, pode-se avaliar a quantidade de corrente que a célula produzirá quando exposta à luz solar. A razão entre este valor de produção de energia e o maior valor de produção de energia possível para a célula (ou seja, se o QE fosse 100% acima do espectro total) fornece o valor de eficiência de conversão de energia global da célula. Observe que, no caso de geração múltipla de excitons (MEG), eficiências quânticas maiores que 100% podem ser obtidas, já que os fótons incidentes têm mais do que o dobro da energia gap gap e podem criar dois ou mais pares de elétrons-furos por fóton incidente.

Tipos
Dois tipos de eficiência quântica de uma célula solar são frequentemente considerados:
A Eficiência Quântica Externa (EQE) é a razão entre o número de portadores de carga coletados pela célula solar e o número de fótons de uma determinada energia que brilha na célula solar a partir do exterior (fótons incidentes).

Eficiência Quântica Interna (IQE) é a razão entre o número de portadores de carga coletados pela célula solar e o número de fótons de uma determinada energia que brilha na célula solar a partir do exterior e é absorvida pela célula.

O IQE é sempre maior que o EQE. Um baixo IQE indica que a camada ativa da célula solar é incapaz de fazer bom uso dos fótons. Para medir o IQE, mede-se primeiro o EQE do dispositivo solar, mede-se então a sua transmissão e reflexão e combina estes dados para inferir o IQE.

A eficiência quântica externa depende, portanto, da absorção da luz e da coleta de cargas. Uma vez que um fóton tenha sido absorvido e tenha gerado um par de elétrons e furos, essas cargas devem ser separadas e coletadas na junção. Um material “bom” evita recombinação de carga. A recombinação de carga provoca uma queda na eficiência quântica externa.

O gráfico de eficiência quântica ideal tem uma forma quadrada, onde o valor de QE é razoavelmente constante em todo o espectro de comprimentos de onda medidos. No entanto, o QE para a maioria das células solares é reduzido por causa dos efeitos da recombinação, onde os portadores de carga não são capazes de se mover para um circuito externo. Os mesmos mecanismos que afetam a probabilidade de coleta também afetam o QE. Por exemplo, modificar a superfície frontal pode afetar as portadoras geradas perto da superfície. E como a luz de alta energia (azul) é absorvida muito próxima à superfície, uma recombinação considerável na superfície frontal afetará a porção “azul” do QE. Da mesma forma, a luz de menor energia (verde) é absorvida no grosso de uma célula solar, e um baixo comprimento de difusão afetará a probabilidade de coleta do volume de células solares, reduzindo o QE na porção verde do espectro. Geralmente, as células solares no mercado hoje não produzem muita eletricidade a partir de luz ultravioleta e infravermelha (comprimentos de onda <400 nm e> 1100 nm, respectivamente); Esses comprimentos de onda de luz são filtrados ou absorvidos pela célula, aquecendo a célula. Esse calor é energia desperdiçada e pode danificar a célula.
Eficiência quântica dos sensores de imagem: A eficiência quântica (QE) é a fração do fluxo de fótons que contribui para a fotocorrente em um fotodetector ou um pixel. A eficiência quântica é um dos parâmetros mais importantes usados ​​para avaliar a qualidade de um detector e é freqüentemente chamada de resposta espectral para refletir sua dependência do comprimento de onda. É definido como o número de elétrons de sinal criados por fóton de incidente. Em alguns casos, pode exceder 100% (ou seja, quando mais de um elétron é criado por fóton de incidente).

Mapeamento de EQE: A medição convencional do EQE proporcionará a eficiência do dispositivo geral. No entanto, muitas vezes é útil ter um mapa do EQE em uma grande área do dispositivo.Esse mapeamento fornece uma maneira eficiente de visualizar a homogeneidade e / ou os defeitos na amostra. Foi realizado por pesquisadores do Instituto de Pesquisador e Desenvolvimento em Energia Fotovoltaica (IRDEP), que calcularam o mapeamento de EQE a partir de medições de eletroluminescência feitas com um imageador hiperespectral.

Responsividade espectral
A responsividade espectral é uma medida similar, mas possui unidades diferentes: amperes por watt (A / W); (ou seja, quanta corrente sai do dispositivo por fóton de entrada de uma determinada energia e comprimento de onda). Tanto a eficiência quântica quanto a responsividade são funções do comprimento de onda dos fótons (indicado pelo índice λ).
Para converter de responsividade (Rλ, em A / W) para QEλ (em uma escala de 0 a 1):

onde λ é o comprimento de onda em nm, h é a constante de Planck, c é a velocidade da luz no vácuo e e é a carga elementar.

Determinação

Onde  = número de elétrons produzidos  = número de fótons absorvidos.

Assumindo que cada fóton absorvido na camada de depleção produz um par de elétrons-furos viável, e todos os outros fótons não,

onde t é o tempo de medição (em segundos),  = potência óptica incidente em watts,  = potência óptica absorvida na camada de depleção, também em watts.

Sensibilidade espectral
O mesmo tamanho, medido inter alia para fotodiodos, células solares ou fotocátodos em unidades de amperes por watt, é chamado de resposta espectral (SR):

no qual  a saída de luz está em um comprimento de onda específico.
A conexão com a eficiência quântica  é:

O fator  é  para uma sensibilidade espectral em A / W e comprimento de onda em m.

Princípio de Medição
Para a medição da eficiência quântica, é necessário o conhecimento exato do poder da luz irradiada (absoluta) / número de fótons. Isto é normalmente conseguido por um dispositivo de medição com a eficiência quântica conhecida de um receptor de comparação (calibrado),  está calibrado.Em seguida, aplica-se:

no qual  a corrente medida para a célula de teste e  são a corrente medida para a célula comparativa.

Configuração de medição
Para a iluminação, uma fonte de luz (xenônio e / ou lâmpada de halogênio) e um monocromador para selecionar intervalos de comprimento de onda são necessários. Os monocromadores adequados são monocromadores de filtro ou monocromadores de treliça. A luz monocromática é passada tão homogeneamente quanto possível na superfície do receptor a ser testada.

A medição do sinal é feita frequentemente com amplificadores de bloqueio para melhorar a relação sinal-ruído; Para este propósito, o sinal luminoso deve ser periodicamente modulado (pulsado) com um chopper óptico.

Eficiência quântica versus rendimento quântico
Existem dois fatores que limitam um processo induzido por quantum em sua eficiência:
a taxa de fótons que realmente toma efeito (o resto é absorvido de outra maneira)
a proporção da energia do fóton sendo transferida (além da absorção multifotônica, apenas um fóton estará envolvido): a energia do fóton emitido será menor pelo deslocamento de Stokes do que o fóton incidente.
Significado prático

Entre outras coisas, o rendimento quântico é importante para a caracterização de fotodiodos, fotocátodos de fotocélulas, intensificadores de imagem e fotomultiplicadores, mas também de fósforos, lasers de fibra e outros lasers de estado sólido bombeados por luz.
A eficiência quântica dos fotocátodos pode atingir valores acima de 50%. Os valores de pico atuais são:

Cs 2 Te a 213 nm: ~ 20%
GaAsP em torno dos 460 … 540 nm: ~ 50%
GaAs em torno de 550 … 720 nm: ~ 25%
InP – InGaAsP pouco acima de 1000 nm: ~ 1%

A eficiência quântica de fotodiodos de cristal único pode atingir 90%; os fotodiodos de silício monocristalino atingem uma sensibilidade espectral de cerca de 0,5 A / W no comprimento de onda de recepção óptimo de cerca de 900 nm; As células solares geralmente não alcançam este valor – elas são policristalinas ou amorfas, e sua eficiência é otimizada para a faixa mais ampla possível na faixa espectral visível (luz solar).
Existem rendimentos quânticos de corantes fluorescentes utilizados para a análise de 2 a 42%, que dependem fortemente da solução utilizada. O corante indocarbocianina tem um valor de 28% a um comprimento de onda de excitação de 678 nm (vermelho) e uma fluorescência máxima a 703 nm.

A eficiência quântica dos fósforos usados ​​para fins de iluminação (lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFL), lâmpadas fluorescentes, LEDs brancos) está próxima de 100%, de acordo com diferentes fontes. De acordo com Henning Höppe, há rendimentos quânticos de 70 a 90% em comprimentos de onda de excitação de 253,65 nm (descarga de gás de vapor de mercúrio) e 450 nm (LED azul).

O rendimento quântico também desempenha um papel na fotossíntese e na produtividade das culturas agrícolas.