Eficiencia cuántica

La eficiencia cuántica ( QE ) de un fotodetector es una medida de su respuesta eléctrica a la luz. También se la conoce como relación de fotones incidentes a electrones convertidos ( IPCE ) . ^[¹^]

En un dispositivo de carga acoplada (CCD) u otro fotodetector, la eficiencia cuántica es la relación entre el número de portadores de carga recolectados en cualquiera de los terminales y el número de fotones que inciden en la superficie fotorreactiva del dispositivo. Como relación, la EQ es adimensional, pero está estrechamente relacionada con la responsividad , que se expresa en amperios por vatio . Dado que la energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda , la EQ se suele medir 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 semiconductores típicos, la EQ cae a cero para fotones cuya energía está por debajo de la banda prohibida . Una película fotográfica suele tener una EQ muy inferior al 10%, ^{[ 2 ]} mientras que los CCD pueden tener una EQ muy superior al 90% en algunas longitudes de onda.

Celdas 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 celda solar indica la cantidad de corriente que producirá al ser irradiada por fotones de una longitud de onda específica. Si se integra la eficiencia cuántica de la celda en todo el espectro electromagnético solar , se puede evaluar la cantidad de corriente que producirá al exponerse a la luz solar. La relación entre este valor de producción de energía y el valor máximo posible para la celda (es decir, si la eficiencia cuántica fuera del 100 % en todo el espectro) proporciona el valor de eficiencia de conversión de energía global de la celda . Cabe destacar que, en el caso de generación de excitones múltiples (MEG), se pueden alcanzar 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 recolectados por la célula solar y el número de fotones de una energía determinada que inciden sobre la célula solar desde el exterior (fotones incidentes).
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 determinada que inciden sobre la célula solar desde el exterior y son absorbidos por ella.

La eficiencia cuántica interna (IQE) siempre es mayor que la eficiencia cuántica externa (EQE) en el espectro visible. Una IQE baja indica que la capa activa de la célula solar no aprovecha bien los fotones, probablemente debido a una baja eficiencia de recolección de portadores. Para medir la IQE, primero se mide la EQE del dispositivo solar, luego su transmisión y reflexión, y se combinan estos datos para inferir la IQE. ${\text{EQE}}={\frac {\text{electrones/seg}}{\text{fotones/seg}}}={\frac {{\text{(corriente)}}/{\text{(carga de un electrón)}}}{({\text{potencia total de los fotones}})/({\text{energía de un fotón}})}}$ ${\text{IQE}}={\frac {\text{electrones/seg}}{\text{fotones absorbidos/seg}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-Reflexión-Transmisión}}}$

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

El gráfico ideal de eficiencia cuántica tiene forma cuadrada , donde el valor de 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 recolección también afectan la QE. Por ejemplo, modificar la superficie frontal puede afectar los portadores generados cerca de la superficie. Las capas de superficie frontal 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 porción "azul" de la QE. De manera similar, la luz de menor energía (verde) se absorbe en el volumen de una célula solar, y una longitud de difusión baja afectará la probabilidad de recolección del volumen de la célula solar, reduciendo la QE en la porción verde del espectro. Generalmente, las células solares en el mercado actual 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. Ese calor es energía desperdiciada y podría dañar la célula. ^{[ 4 ]}

sensores de imagen

La eficiencia cuántica (EC) es la fracción del flujo de fotones que contribuye a la fotocorriente en un fotodetector o píxel. La eficiencia cuántica es uno de los parámetros más importantes 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 generados por cada fotón incidente. En algunos casos, puede superar el 100 % (es decir, cuando se genera más de un electrón por fotón incidente).

Mapeo de EQE

La medición convencional de la EQE proporciona la eficiencia general del dispositivo. Sin embargo, a menudo resulta útil contar con un mapa de la EQE en una amplia área del dispositivo. Este mapeo ofrece una forma eficiente de visualizar la homogeneidad y/o los defectos en la muestra. Investigadores del Instituto de Investigación y Desarrollo en Energía Fotovoltaica (IRDEP) lograron este resultado calculando el mapeo de la EQE a partir de mediciones de electroluminiscencia realizadas con un generador de imágenes hiperespectrales . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

respuesta espectral

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

Determinación

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

Suponiendo que cada fotón absorbido en la capa de agotamiento produce un par electrón-hueco viable, y que todos los demás fotones no lo hacen, ${\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}$ donde t es el tiempo de medición (en segundos), $\Phi _{o}$ = potencia óptica incidente en vatios, $\Phi _{\xi }$ = potencia óptica absorbida en la capa de agotamiento, también en vatios.

Véase también

Referencias

↑ Shaheen, Sean (2001). "Celdas solares de plástico orgánico con una eficiencia del 2,5 %" . Applied Physics Letters . 78 (6): 841. Bibcode : 2001ApPhL..78..841S . doi : 10.1063/1.1345834 . hdl : 11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2 . Recuperado el 20 de mayo de 2012 .{{cite journal}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
↑ Träger, Frank (2012). Manual de láseres y óptica . Berlín Heidelberg: Springer. págs.601 , 603. ISBN 9783642194092.
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↑ La película de nanopartículas de silicio puede aumentar el rendimiento de las células solares.
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↑ Gottwald, Alexander; Scholze, Frank (2018-01-01), "7 - Detectores avanzados de radiación de silicio en el rango espectral ultravioleta de vacío y ultravioleta extremo" , en Nihtianov, Stoyan; Luque, Antonio (eds.), Sensores inteligentes y MEMS (Segunda edición) , Serie de Woodhead Publishing en materiales electrónicos y ópticos, Woodhead Publishing, pp. 151–170 , ISBN 978-0-08-102055-5, consultado el 19 de agosto de 2020
^ A. Rogalski, K. Adamiec y J. Rutkowski, Fotodiodos semiconductores de separación estrecha , SPIE Press, 2000

[1] Shaheen, Sean (2001). "Celdas solares de plástico orgánico con una eficiencia del 2,5 %" . Applied Physics Letters . 78 (6): 841. Bibcode : 2001ApPhL..78..841S . doi : 10.1063/1.1345834 . hdl : 11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2 . Recuperado el 20 de mayo de 2012 .{{cite journal}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )

[Trager200-2] Träger, Frank (2012). Manual de láseres y óptica . Berlín Heidelberg: Springer. págs.601 , 603. ISBN 9783642194092.

[3] Baker-Finch, Simeon C.; McIntosh, Keith R.; Yan, Di; Fong, Kean Chern; Kho, Teng C. (2014-08-13). "Absorción de portadores libres en el infrarrojo cercano en silicio fuertemente dopado" . Journal of Applied Physics . 116 (6): 063106. Bibcode : 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-Francois (eds.). "Evaluación de fluctuaciones laterales a escala micrométrica de las propiedades de transporte en células solares CIGS". Proc. SPIE . Física, simulación e ingeniería fotónica de dispositivos fotovoltaicos II. 100 : 862009. Bibcode : 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 delgada de Cu(In,Ga)Se _{2 ".}Progress in Photovoltaics . 23 (10): 1305– 1312. doi : 10.1002/pip.2555 . S2CID 98472503 .

[7] Gottwald, Alexander; Scholze, Frank (2018-01-01), "7 - Detectores avanzados de radiación de silicio en el rango espectral ultravioleta de vacío y ultravioleta extremo" , en Nihtianov, Stoyan; Luque, Antonio (eds.), Sensores inteligentes y MEMS (Segunda edición) , Serie de Woodhead Publishing en materiales electrónicos y ópticos, Woodhead Publishing, pp. 151–170 , ISBN 978-0-08-102055-5, consultado el 19 de agosto de 2020

[8] A. Rogalski, K. Adamiec y J. Rutkowski, Fotodiodos semiconductores de separación estrecha , SPIE Press, 2000

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