Eficiencia cuántica

Eficiencia cuántica

Eficiencia cuántica ("QE" de sus siglas en ingles "quantum efficiency"). Es una cantidad definida para un dispositivo fotosensible como la película fotográfica o un CCD como el porcentaje de fotones que chocan con la superficie fotorreactiva que producirá un par electrón-hueco. Es una medida precisa de la sensibilidad del dispositivo.

Características

El término eficiencia cuántica (QE) puede aplicarse a la relación de fotón incidente a electrón convertido (IPCE), de un dispositivo fotosensible o puede referirse al efecto TMR de una unión de túnel magnético.

Este artículo trata del término como una medida de la sensibilidad eléctrica de un dispositivo a la luz. En un dispositivo de carga acoplada (CCD) es el porcentaje de fotones que golpean la superficie fotorreactiva del dispositivo que producen portadores de carga.

Se mide en electrones por fotón o amperios por vatio. Dado que la energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda, la QE a menudo se mide en un rango de diferentes longitudes de onda para caracterizar la eficiencia de un dispositivo en cada nivel de energía del fotón. El QE para fotones con energía por debajo del espacio de banda es cero. La película fotográfica generalmente tiene un QE de mucho menos del 10%, mientras que los CCD pueden tener un QE de más del 90% en algunas longitudes de onda.

De células solares

El valor de eficiencia cuántica de una célula solar indica la cantidad de corriente que producirá la célula cuando sea irradiada por fotones de una determinada longitud de onda. Si la eficiencia cuántica de la celda está integrada en todo el espectro electromagnético solar, se puede evaluar la cantidad de corriente que producirá la célula cuando se expone a la luz solar. La relación entre este valor de producción de energía y el valor más alto posible de producción de energía para la celda (es decir, si la QE fue del 100% en todo el espectro) proporciona el valor de eficiencia de conversión de energía general de la celda.

Tenga en cuenta que en caso de generación múltiple de excitones (MEG), se pueden lograr eficiencias cuánticas superiores al 100% ya que los fotones incidentes tienen más del doble de energía de banda prohibida y pueden crear dos o más pares de electrones por cada fotón incidente.

Tipos

A menudo se consideran dos tipos de eficiencia cuántica de una célula solar:

1. La Eficiencia Cuántica Externa (EQE): Es la relación entre el número de portadores de carga recolectados por la célula solar y el número de fotones de una energía dada que brilla en la celda solar desde el exterior (fotones incidentes).
2. La Eficiencia Cuántica Interna (IQE): Es la relación entre el número de portadores de carga recolectados por la célula solar y el número de fotones de una energía dada que brillan en la célula solar desde el exterior y son absorbidos por la célula.

El IQE siempre es más grande que el EQE. Un IQE bajo indica que la capa activa de la célula solar no puede hacer un buen uso de los fotones. Para medir el IQE, primero se mide el EQE del dispositivo solar, luego se mide su transmisión y reflexión, y se combinan estos datos para inferir el IQE.

La eficiencia cuántica externa, por lo tanto, depende tanto de la absorción de la luz como de la recolección de cargas. Una vez que un fotón ha sido absorbido y ha generado un par electrón-agujero, estas cargas deben separarse y recogerse en la unión. Un material “bueno” evita la recombinación de carga. La recombinación de carga causa una caída en la eficiencia cuántica externa.

El gráfico de eficiencia cuántica ideal tiene una forma cuadrada, donde el valor QE es bastante constante en todo el espectro de longitudes de onda medidas. Sin embargo, la QE para la mayoría de las células solares se reduce debido a los efectos de la recombinación, donde los portadores de carga no pueden moverse a un circuito externo. Los mismos mecanismos que afectan la probabilidad de recolección también afectan el QE.

A modo de ejemplo, modificar la superficie frontal puede afectar a los portadores generados cerca de la superficie. Y debido a que la luz de alta energía (azul) se absorbe muy cerca de la superficie, la recombinación considerable en la superficie frontal afectará la parte “azul” de la QE. De forma similar, la luz de menor energía (verde) se absorbe en la mayor parte de una célula solar, y una baja longitud de difusión afectará la probabilidad de recolección de la masa de la célula solar, reduciendo la QE en la porción verde del espectro. En general, las células solares en el mercado actual no producen mucha electricidad a partir de luz ultravioleta e infrarroja (<400 nm y> 1100 nm de longitud de onda, respectivamente); estas longitudes de onda de luz son filtradas o absorbidas por la célula, calentando así la célula. Ese calor es energía desperdiciada y podría dañar la célula.

Eficiencia cuántica de los sensores de imagen

La eficiencia cuántica (QE) es la fracción del flujo de fotones que contribuye a la fotocorriente en un fotodetector o un píxel. La eficiencia cuántica es uno de los parámetros más importantes utilizados para evaluar la calidad de un detector y a menudo se denomina respuesta espectral para reflejar su dependencia de la longitud de onda. Se define como la cantidad de electrones de señal creados por fotón incidente. En algunos casos, puede exceder el 100% (es decir, cuando Aleación de color naranja.

Mapeo EQE

La medición convencional del EQE dará la eficiencia del dispositivo en general. Sin embargo, a menudo es útil tener un mapa del EQE en un área grande del dispositivo. Este mapeo proporciona una forma eficiente de visualizar la homogeneidad y / o los defectos en la muestra. Fue realizado por investigadores del Instituto de Investigadores y Desarrollo de Energía Fotovoltaica (IRDEP) que calculó el mapeo EQE a partir de mediciones de electroluminiscencia tomadas con un generador de imágenes hiperespectrales.

Responsibility espectral

La capacidad de respuesta espectral es similar, pero tiene diferentes unidades: amperios por vatio (A / W); (es decir, cuánta corriente sale del dispositivo por fotón entrante de una energía y longitud de onda dadas). Tanto la eficiencia cuántica como la responsividad son funciones de la longitud de onda de los fotones (indicada por el subíndice λ). Para convertir de responsividad (Rλ, en A / W) en QEλ (en una escala de 0 a 1): se crea más de un electrón por fotón incidente). Donde λ es la longitud de onda en nm, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío y es la carga elemental.

Determinación

Dónde = número de electrones producidos = cantidad de fotones absorbidos.

Suponiendo que cada fotón absorbido en la capa de agotamiento produce un par viable de electrón-agujero, y el resto de los fotones no, donde t es el tiempo de medición (en segundos), = potencia óptica incidente en vatios, = potencia óptica absorbida en la capa de agotamiento, también en vatios.

Sensibilidad espectral

El mismo tamaño, medido entre otros para fotodiodos, células solares o fotocátodos en unidades de amperios por vatio, se denomina respuesta espectral (SR):

• En el cual la salida de luz está en una longitud de onda específica.

La conexión con la eficiencia cuántica es:

• El factor es para una sensibilidad espectral en A / W y longitud de onda en m.

Principio de medición

Para la medición de la eficiencia cuántica, es necesario conocer exactamente el número de potencia de luz irradiada (absoluta) / fotón. Esto generalmente se logra mediante un dispositivo de medición que tiene la eficacia cuántica conocida de un receptor de comparación (calibrado), está calibrado. Entonces se aplica: En el cual la corriente medida para la celda de prueba y son la corriente medida para la celda comparativa.

Configuración de medición

Para la iluminación, es necesaria una fuente de luz (xenón y / o lámpara halógena) y un monocromador para seleccionar intervalos de longitud de onda. Los monocromadores adecuados son monocromadores de filtro o monocromadores de celosía. La luz monocromática se pasa de la manera más homogénea posible en la superficie del receptor a probar. La medición de la señal a menudo se realiza con amplificadores de bloqueo para mejorar la relación señal / ruido; Para este propósito, la señal luminosa debe ser modulada periódicamente (impulsada) con un chopper óptico.

Eficiencia cuántica frente al rendimiento cuántico

Hay dos factores que limitan un proceso inducido por el quantum en su eficiencia:

• La tasa de fotones que realmente tiene efecto (el resto se absorbe de otra manera)
• La proporción de la energía del fotón que se transfiere (aparte de la absorción del multifotón, solo un fotón estará involucrado): la energía del fotón emitido será menor por el cambio de Stokes que la del fotón incidente.

Significado práctico

Entre otras cosas, el rendimiento cuántico es importante para la caracterización de fotodiodos, fotocátodos de fotocélulas, intensificadores de imágenes y fotomultiplicadores, pero también de fósforos, láseres de fibra y otros láseres de estado sólido (bombeados por luz). La eficiencia cuántica de los fotocátodos puede alcanzar valores de más del 50%. Los valores pico actuales son:

• Cs 2 Te a 213 nm: ~ 20%
• GaAsP alrededor del 460 … 540 nm: ~ 50%
• GaAs alrededor de 550 … 720 nm: ~ 25%
• InP – InGaAsP poco más de 1000 nm: ~ 1%

La eficiencia cuántica de los fotodiodos de un solo cristal puede alcanzar el 90%; Los fotodiodos de silicio monocristalino alcanzan una sensibilidad espectral de aproximadamente 0,5 A / W en la longitud de onda de recepción óptima alrededor de 900 nm; Por lo general, las células solares no alcanzan este valor: son policristalinas o amorfas, y su eficiencia se optimiza en el rango más amplio posible en el rango espectral visible (luz solar).

Existen rendimientos cuánticos de colorantes fluorescentes utilizados para el análisis de 2 a 42%, que dependen fuertemente de la solución utilizada. El colorante indocarbocianina tiene un valor de 28% a una longitud de onda de excitación de 678 nm (rojo) y un máximo de fluorescencia a 703 nm.

La eficiencia cuántica de los fósforos utilizados con fines de iluminación (lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL), lámparas fluorescentes, LED blancos) es cercana al 100% según diferentes fuentes. Según Henning Höppe, hay rendimientos cuánticos de 70 a 90% a longitudes de onda de excitación de 253,65 nm (descarga de gas de vapor de mercurio) y 450 nm (LED azul).

Fuentes

• https://journal.poligran.edu.co/index.php/elementos/article/download/612/518
• https://journal.poligran.edu.co/index.php/elementos/article/view/612
• diccionario.raing.es/es/lema/eficiencia-cuántica-0