Eficiencia cuántica

Propiedad de los dispositivos fotosensibles.

Un gráfico que muestra la variación de la eficiencia cuántica con la longitud de onda de un chip CCD de la Cámara Planetaria y de Campo Amplio 2 , anteriormente instalada en el Telescopio Espacial Hubble .

El término eficiencia cuántica ( QE ) puede aplicarse a la relación entre fotón incidente y electrón convertido ( IPCE ) ^[1] de un dispositivo fotosensible , o puede referirse al efecto TMR de una unión de túnel magnético.

Este artículo trata el término como una medida de la sensibilidad eléctrica de un dispositivo a la luz. En un dispositivo de carga acoplada (CCD) u otro fotodetector, es la relación entre la cantidad de portadores de carga recolectados en cualquiera de los terminales y la cantidad de fotones que golpean la superficie fotorreactiva del dispositivo. Como relación, QE no tiene dimensiones, pero está estrechamente relacionada con la capacidad de respuesta , que se expresa en 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. Para los fotodetectores de semiconductores típicos, la QE cae a cero para los fotones cuya energía está por debajo de la banda prohibida . Una película fotográfica normalmente tiene una QE de mucho menos del 10%, ^[2] mientras que los CCD pueden tener una QE de más del 90% en algunas longitudes de onda.

QE de células solares

Un gráfico que muestra la variación de la eficiencia cuántica interna, la eficiencia cuántica externa y la reflectancia con la longitud de onda de una célula solar de silicio cristalino.

El valor de eficiencia cuántica de una célula solar indica la cantidad de corriente que la célula producirá cuando sea irradiada por fotones de una longitud de onda particular. Si la eficiencia cuántica de la célula se integra en todo el espectro electromagnético solar , se puede evaluar la cantidad de corriente que producirá la célula cuando se exponga a la luz solar. La relación entre este valor de producción de energía y el valor de producción de energía más alto posible para la celda (es decir, si el QE fuera del 100% en todo el espectro) da el valor de eficiencia de conversión de energía general de la celda . Tenga en cuenta que en el caso de generación de excitones múltiples (MEG), se pueden lograr eficiencias cuánticas superiores al 100%, ya que los fotones incidentes tienen más del doble de la energía de la banda prohibida y pueden crear dos o más pares electrón-hueco por fotón incidente.

Tipos

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

• La eficiencia cuántica externa (EQE) es la relación entre el número de portadores de carga recogidos por la célula solar y el número de fotones de una energía determinada que brillan sobre la célula solar desde el exterior (fotones incidentes).
• La eficiencia cuántica interna (IQE) es la relación entre el número de portadores de carga recogidos por la célula solar y el número de fotones de una energía determinada que brillan sobre la célula solar desde el exterior y son absorbidos por la célula.

El IQE es siempre mayor que el EQE en el espectro visible. Un IQE bajo indica que la capa activa de la célula solar no puede hacer un buen uso de los fotones, probablemente debido a una mala eficiencia de recolección de portadores. 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.

$${\displaystyle {\text{EQE}}={\frac {\text{electrons/sec}}{\text{photons/sec}}}={\frac {{\text{(current)}}/{\text{(charge of one electron)}}}{({\text{total power of photons}})/({\text{energy of one photon}})}}}$$

$${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{electrons/sec}}{\text{absorbed photons/sec}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-Reflection-Transmission}}}}$$

Por tanto, la eficiencia cuántica externa depende tanto de la absorción de luz como de la recogida de cargas. Una vez que un fotón ha sido absorbido y ha generado un par electrón-hueco, estas cargas deben separarse y recogerse en la unión. Un material "bueno" evita la recombinación de cargas. La recombinación de carga provoca una caída en la eficiencia cuántica externa.

El gráfico de eficiencia cuántica ideal tiene forma cuadrada , donde el valor QE es bastante constante en todo el espectro de longitudes de onda medidas. Sin embargo, la QE de 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 cobro también afectan el QE. Por ejemplo, modificar la superficie frontal puede afectar a los portadores generados cerca de la superficie. Las capas superficiales frontales altamente dopadas también pueden provocar una "absorción libre de portadores", lo que reduce la QE en las longitudes de onda más largas. ^[3] Y debido a que la luz de alta energía (azul) se absorbe muy cerca de la superficie, una recombinación considerable en la superficie frontal afectará la porción "azul" del QE. De manera similar, la luz de menor energía (verde) se absorbe en la mayor parte de una célula solar, y una longitud de difusión baja afectará la probabilidad de captación de la mayor parte de la célula solar, reduciendo la QE en la porción verde del espectro. Generalmente, las células solares que se encuentran actualmente en el mercado no producen mucha electricidad a partir de luz ultravioleta e infrarroja (longitudes de onda <400 nm y >1100 nm, respectivamente); Estas longitudes de onda de luz son filtradas o absorbidas por la célula, calentándola así. Ese calor es energía desperdiciada y podría dañar la célula. ^[4]

QE de 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 el número de electrones de señal creados por fotón incidente. En algunos casos puede superar el 100% (es decir, cuando se crea más de un electrón por fotón incidente).

mapeo EQE

La medición convencional del EQE dará la eficiencia del dispositivo en general. Sin embargo, suele resultar útil tener un mapa del EQE en una zona amplia del dispositivo. Este mapeo proporciona una manera eficiente de visualizar la homogeneidad y/o los defectos en la muestra. Fue realizado por investigadores del Instituto de Investigación y Desarrollo de Energía Fotovoltaica (IRDEP), que calcularon el mapeo EQE a partir de mediciones de electroluminiscencia tomadas con un generador de imágenes hiperespectral . ^{[5] [6]}

Responsividad espectral

La capacidad de respuesta espectral es una medida similar, pero tiene diferentes unidades: amperios por vatio (A/W); (es decir, cuánta corriente sale del dispositivo por unidad de potencia de luz incidente ). ^[7] La ​​capacidad de respuesta se especifica normalmente para luz monocromática (es decir, luz de una sola longitud de onda). ^{[ cita necesaria ]} Tanto la eficiencia cuántica como la capacidad de respuesta son funciones de la longitud de onda de los fotones (indicada por el subíndice λ).

Para convertir de responsividad ( R _λ , en A/W) a QE _λ ^[8] (en una escala de 0 a 1):

$${\displaystyle QE_{\lambda }={\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}\times {\frac {hc}{e}}\approx {\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}{\times }(1240\;\mathrm {W\cdot {nm}/A} )}$$

λnmhconstante de Planckcvelocidad de la luzecarga elemental

Determinación

$${\displaystyle QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}}$$

${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{\nu }}$

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

Suponiendo que cada fotón absorbido en la capa de agotamiento produce un par electrón-hueco viable, y todos los demás fotones no lo hacen,

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

t ${\displaystyle \Phi _{o}}$ ${\displaystyle \Phi _{\xi }}$

Ver también

• Eficiencia de conteo
• DQE (imagen)
• Eficiencia de las células solares

Referencias

1. Shaheen, Sean (2001). "Células solares de plástico orgánico con una eficiencia del 2,5%". Letras de Física Aplicada . 78 (6): 841. Código bibliográfico : 2001ApPhL..78..841S. doi :10.1063/1.1345834. hdl : 11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2 . Archivado desde el original el 7 de julio de 2012 . Consultado el 20 de mayo de 2012 .
2. Träger, Frank (2012). Manual de láseres y óptica. Berlín Heidelberg: Springer. págs.601, 603. ISBN 9783642194092.
3. Baker-Finch, Simeón C.; McIntosh, Keith R.; Yan, Di; Fong, Kean Chern; Kho, Teng C. (13 de agosto de 2014). "Absorción de portadores libres en el infrarrojo cercano en silicio fuertemente dopado". Revista de Física Aplicada . 116 (6): 063106. Código bibliográfico : 2014JAP...116f3106B. doi : 10.1063/1.4893176. hdl : 1885/16116 . ISSN  0021-8979.
4. La película de nanopartículas de silicio puede aumentar el rendimiento de las células solares
5. Delamarre; et al. (2013). Freundlich, Alexandre; Guillemoles, Jean-François (eds.). "Evaluación de fluctuaciones laterales a escala micrométrica de las propiedades de transporte en células solares CIGS". Proc. ESPÍA . Física, Simulación e Ingeniería Fotónica de Dispositivos Fotovoltaicos II. 100 : 862009. Código bibliográfico : 2013SPIE.8620E..09D. doi :10.1117/12.2004323. S2CID  120825849.
6. A. Delamarre; et al. (2014). "Mapeo cuantitativo de luminiscencia de células solares de película fina de Cu (In, Ga) Se ₂ ". Progresos en Fotovoltaica . 23 (10): 1305-1312. doi :10.1002/pip.2555. S2CID  98472503.
7. Gottwald, Alejandro; Scholze, Frank (1 de enero de 2018), Nihtianov, Stoyan; Luque, Antonio (eds.), "7 - Detectores avanzados de radiación de silicio en el rango espectral ultravioleta del vacío y ultravioleta extremo", Smart Sensors and MEMs (Segunda Edición) , Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Woodhead Publishing, pp. 151-170, ISBN 978-0-08-102055-5, recuperado 2020-08-19
8. A. Rogalski, K. Adamiec y J. Rutkowski, Fotodiodos semiconductores de separación estrecha , SPIE Press, 2000