Квантовая эффективность - Quantum efficiency

График, показывающий изменение квантовой эффективности в зависимости от длины волны ПЗС-чипа от широкоугольной и планетарной камеры 2 , ранее установленной на космическом телескопе Хаббла .

Термин квантовая эффективность ( КЭ ) может применяться к падающему фотону преобразованных электронов (IPCE) отношению к части с фоточувствительным устройством , или он может относиться к эффекту TMR магнитного туннельного перехода.

В этой статье этот термин используется для измерения электрической чувствительности устройства к свету. В устройстве с зарядовой связью (CCD) или другом фотодетекторе это соотношение между количеством носителей заряда, собранных на любом из выводов, и количеством фотонов, попадающих на фотореактивную поверхность устройства. В качестве отношения QE безразмерен, но он тесно связан с чувствительностью , которая выражается в амперах на ватт . Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны , QE часто измеряется в диапазоне разных длин волн, чтобы охарактеризовать эффективность устройства.на каждом уровне энергии фотона. Для типичных полупроводниковых фотоприемников QE падает до нуля для фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны . Фотопленка обычно имеет КС намного меньше 10%, в то время как ПЗС-матрицы могут иметь КС намного более 90% на некоторых длинах волн.

Квантовая эффективность солнечных элементов

График, показывающий изменение внутренней квантовой эффективности, внешней квантовой эффективности и отражательной способности в зависимости от длины волны солнечного элемента из кристаллического кремния.

Значение квантовой эффективности солнечного элемента указывает количество тока, который будет производить элемент при облучении фотонами определенной длины волны. Если квантовую эффективность элемента интегрировать по всему солнечному электромагнитному спектру , можно оценить количество тока, которое ячейка будет производить при воздействии солнечного света. Отношение между этим значением производства энергии и максимально возможным значением производства энергии для соты (т. Е. Если бы QE было 100% по всему спектру) дает общее значение эффективности преобразования энергии сотой . Обратите внимание, что в случае генерации множественных экситонов (MEG) квантовая эффективность более 100% может быть достигнута, поскольку падающие фотоны имеют более чем в два раза больше энергии запрещенной зоны и могут создавать две или более электронно-дырочных пар на падающий фотон.

Типы

Часто рассматриваются два типа квантовой эффективности солнечного элемента:

• Внешняя квантовая эффективность (EQE) - это отношение количества носителей заряда, собранных солнечным элементом, к количеству фотонов заданной энергии, падающих на солнечный элемент извне (падающих фотонов).
• Внутренняя квантовая эффективность (IQE) - это отношение количества носителей заряда, собранных солнечным элементом, к количеству фотонов заданной энергии, которые светят на солнечный элемент снаружи и поглощаются элементом.

IQE всегда больше, чем EQE в видимом спектре. Низкий IQE указывает на то, что активный слой солнечного элемента не может эффективно использовать фотоны, скорее всего, из-за низкой эффективности сбора носителей. Чтобы измерить IQE, сначала измеряют EQE солнечного устройства, затем измеряют его передачу и отражение и объединяют эти данные для вывода IQE.

${\ displaystyle {\ text {EQE}} = {\ frac {\ text {электронов / сек}} {\ text {photons / sec}}} = {\ frac {{\ text {(current)}} / {\ text {(заряд одного электрона)}}} {({\ text {полная мощность фотонов}}) / ({\ text {энергия одного фотона}})}}}$

${\ displaystyle {\ text {IQE}} = {\ frac {\ text {электронов / сек}} {\ text {поглощенных фотонов / сек}}} = {\ frac {\ text {EQE}} {\ text {1 -Отражение-Трансмиссия}}}}$

Таким образом, внешняя квантовая эффективность зависит как от поглощения света, так и от сбора зарядов. После того, как фотон был поглощен и сгенерировал пару электрон-дырка, эти заряды должны быть разделены и собраны на стыке. «Хороший» материал избегает рекомбинации зарядов. Рекомбинация заряда вызывает падение внешней квантовой эффективности.

График идеальной квантовой эффективности имеет квадратную форму , где величина QE довольно постоянна во всем спектре измеряемых длин волн. Однако QE для большинства солнечных элементов снижается из-за эффектов рекомбинации, когда носители заряда не могут перемещаться во внешнюю цепь. Те же механизмы, которые влияют на вероятность сбора, также влияют на QE. Например, изменение передней поверхности может повлиять на носители, генерируемые около поверхности. Сильнолегированные передние поверхностные слои также могут вызывать «поглощение свободных носителей заряда», которое снижает QE на более длинных волнах. И поскольку высокоэнергетический (синий) свет поглощается очень близко к поверхности, значительная рекомбинация на передней поверхности будет влиять на «синюю» часть QE. Точно так же свет с меньшей энергией (зеленый) поглощается в объеме солнечного элемента, а малая длина диффузии влияет на вероятность сбора из объема солнечного элемента, уменьшая QE в зеленой части спектра. Как правило, присутствующие сегодня на рынке солнечные элементы не производят много электроэнергии из ультрафиолетового и инфракрасного света (с длинами волн <400 нм и> 1100 нм соответственно); световые волны этих длин либо отфильтровываются, либо поглощаются ячейкой, нагревая ячейку. Это тепло является пустой тратой энергии и может повредить клетку.

Квантовая эффективность датчиков изображения  : Квантовая эффективность (QE) - это доля потока фотонов, которая вносит вклад в фототок в фотодетекторе или пикселе. Квантовая эффективность является одним из наиболее важных параметров, используемых для оценки качества детектора, и часто называется спектральным откликом, чтобы отразить его зависимость от длины волны. Он определяется как количество сигнальных электронов, создаваемых падающим фотоном. В некоторых случаях он может превышать 100% (например, когда на падающий фотон создается более одного электрона).

Отображение EQE  : обычное измерение EQE даст эффективность всего устройства. Однако часто бывает полезно иметь карту EQE на большой площади устройства. Это отображение обеспечивает эффективный способ визуализации однородности и / или дефектов в образце. Это было реализовано исследователями из Института исследований и развития фотоэлектрической энергии (IRDEP), которые рассчитали карту EQE на основе измерений электролюминесценции, сделанных с помощью гиперспектрального формирователя изображений.

Спектральная чувствительность

Спектральная чувствительность - это аналогичное измерение, но в других единицах измерения: амперы на ватт (А / Вт); (т.е. сколько тока выходит из устройства на единицу мощности падающего света ). Чувствительность обычно указывается для монохроматического света (т.е. света одной длины волны). И квантовая эффективность, и чувствительность являются функциями длины волны фотонов (обозначенной индексом λ).

Чтобы преобразовать из чувствительности ( R _λ , в A / W) в QE _λ (по шкале от 0 до 1):

${\ displaystyle QE _ {\ lambda} = {\ frac {R _ {\ lambda}} {\ lambda}} \ times {\ frac {hc} {e}} \ приблизительно {\ frac {R _ {\ lambda}} {\ лямбда}} {\ times} (1240 \; {\ rm {W}} \ cdot {\ rm {нм / A}})}$

где λ - длина волны в нм , h - постоянная Планка , c - скорость света в вакууме, а e - элементарный заряд .

Определение

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

где = количество произведенных электронов, = количество поглощенных фотонов. ${\ displaystyle N_ {e}}$${\ displaystyle N _ {\ nu}}$

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

Предполагая, что каждый фотон, поглощенный в обедненном слое, создает жизнеспособную электронно-дырочную пару, а все остальные фотоны - нет,

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

где t - время измерения (в секундах), = падающая оптическая мощность в ваттах, = оптическая мощность, поглощенная в обедненном слое, также в ваттах. ${\ displaystyle \ Phi _ {o}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ xi}}$

Смотрите также

• Подсчет эффективности
• DQE (визуализация)
• КПД солнечных батарей

использованная литература