Eficiencia cuántica

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

Este artículo trata el término como una medida de la sensibilidad eléctrica de un dispositivo a la luz. En un dispositivo acoplado a carga (CCD) u otro fotodetector, es la relación entre el número de portadores de carga recogidos en cada terminal y el número de fotones que inciden en la superficie fotorreactiva del dispositivo. Como relación, la QE es adimensional, 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 se mide a menudo en un rango de longitudes de onda diferentes para caracterizar la eficiencia de un dispositivo en cada nivel de energía del fotón. Para los fotodetectores 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.

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 longitud de onda particular. Si la eficiencia cuántica de la célula se integra sobre 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 célula (es decir, si la QE fuera del 100% sobre todo el espectro) da el valor de eficiencia de conversión de energía general de la célula . 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 brecha de banda y pueden crear dos o más pares electrón-hueco por fotón incidente.

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

• La eficiencia cuántica externa (EQE) es la relación entre la cantidad de portadores de carga recolectados por la célula solar y la cantidad de fotones de una energía dada que inciden en 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 dada que inciden sobre la célula solar desde el exterior y son absorbidos por la célula.

El IQE siempre es 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 baja 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.$${\displaystyle {\text{EQE}}={\frac {\text{electrones/seg}}{\text{fotones/seg}}}={\frac {{\text{(corriente)}}/{\text{(carga de un electrón)}}}{({\text{potencia total de fotones}})/({\text{energía de un fotón}})}}}$$$${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{electrons/sec}}{\text{absorbed photons/sec}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-Reflection-Transmission}}}}$$

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

El gráfico de eficiencia cuántica ideal tiene forma cuadrada , donde el valor de 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 hacia un circuito externo. Los mismos mecanismos que afectan la probabilidad de recolección también afectan la 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 causar "absorción de portadores libres" 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 parte "azul" de la 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 recolección de la mayor parte de la célula solar, reduciendo la QE en la parte verde del espectro. Generalmente, las células solares en el mercado hoy en día 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 se filtran o son absorbidas por la célula, calentándola. Ese calor es energía desperdiciada y podría dañar la célula. ^[4]

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 que se utilizan 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 superar el 100 % (es decir, cuando se crea más de un electrón por fotón incidente).

La medición convencional de la EQE proporcionará la eficiencia del dispositivo en su conjunto. Sin embargo, a menudo resulta útil disponer de un mapa de la EQE sobre una gran superficie del dispositivo. Este mapeo proporciona una forma eficiente de visualizar la homogeneidad y/o los defectos en la muestra. Este mapeo fue realizado por investigadores del Instituto de Investigación y Desarrollo de Energía Fotovoltaica (IRDEP), quienes calcularon el mapeo de la EQE a partir de mediciones de electroluminiscencia tomadas con un generador de imágenes hiperespectrales . ^{[5] [6]}

La responsividad espectral es una medida similar, pero tiene unidades diferentes: amperios por vatio (A/W); (es decir, cuánta corriente sale del dispositivo por unidad de potencia de luz incidente ). ^[7] La ​​responsividad se especifica normalmente para luz monocromática (es decir, luz de una sola longitud de onda). ^{[ cita requerida ]} 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 ( R _λ , en A/W) a QE _λ ^[8] (en una escala de 0 a 1): 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 e es la carga elemental . Nótese que la unidad W/A (vatios por amperio) es equivalente a V (voltios).$${\displaystyle QE_{\lambda }={\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}\times {\frac {hc}{e}}\approx {\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}{\times }(1240\;\mathrm {W\cdot {nm}/A} )}$$

$${\displaystyle QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}}$$donde = número de electrones producidos, = número de fotones absorbidos.${\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, 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.$${\displaystyle {\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}}$$${\displaystyle \Phi _{o}}$${\displaystyle \Phi _{\xi }}$

• Contando eficiencia
• DQE (imágenes)
• Eficiencia de las células solares