Квантовая эффективность

График , показывающий изменение квантовой эффективности с длиной волны чипа CCD в Хаббл космического телескопа «с широкоугольной и планетарной камерой 3 .

Термин квантовая эффективность ( КЭ ) может применяться к падающему фотону преобразуется электроны (IPCE) отношение к ^[1] в виде светочувствительного устройства , 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% ^{[2], в} то время как ПЗС-матрицы могут иметь КС намного более 90% на некоторых длинах волн.

Квантовая эффективность солнечных элементов [ править ]

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 . Отметим, что в случае множественной генерации 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 пары электрон-дырка на падающий фотон.

Типы [ править ]

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. 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.

{\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}})}}

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

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. ^[3]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 (длины 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. ^[4]

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 разработок фотоэлектрической энергии (IRDEP), которые рассчитали карту EQE на основе измерений электролюминесценции, сделанных с помощью гиперспектрального формирователя изображений. ^[5]^[6]

Спектральная чувствительность [ править ]

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 ). ^[7] Чувствительность обычно указывается для монохроматического света (т. Е. Света одной длины волны). ^[8] 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^[9] (по шкале от 0 до 1):

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

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

Определение [ править ]

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

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

{\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,

{\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. $\Phi _{o}$ $\Phi _{\xi }$

См. Также [ править ]

Подсчет эффективности
DQE (визуализация)
КПД солнечных батарей

Ссылки [ править ]

^ Шахин, Шон (2001). «Солнечные элементы из органического пластика с КПД 2,5%» . Письма по прикладной физике . 78 (6): 841. Bibcode : 2001ApPhL..78..841S . DOI : 10.1063 / 1.1345834 . Архивировано из оригинала на 2012-07-07 . Проверено 20 мая 2012 года .
^ Трегер, Франк (2012). Справочник по лазерам и оптике . Берлин Гейдельберг: Springer. стр. 601, 603. ISBN 9783642194092.
↑ Baker-Finch, Simeon C .; Макинтош, Кейт Р .; Ян, Ди; Фонг, Кин Черн; Хо, Тенг С. (13 августа 2014 г.). «Поглощение свободных носителей в ближней инфракрасной области в сильно легированном кремнии» . Журнал прикладной физики . 116 (6): 063106. DOI : 10,1063 / 1,4893176 . hdl : 1885/16116 . ISSN 0021-8979 .
^ Пленка из кремниевых наночастиц может повысить производительность солнечных элементов.
^ Деламар; и другие. (2013). Фрейндлих, Александр; Guillemoles, Жан-Франсуа (ред.). «Оценка боковых флуктуаций транспортных свойств микрометрового масштаба в солнечных элементах CIGS». Proc. ШПИОН . Физика, моделирование и фотонная инженерия фотоэлектрических устройств II. 100 : 862009. Bibcode : 2013SPIE.8620E..09D . DOI : 10.1117 / 12.2004323 . S2CID 120825849 .
^ А. Деламар; и другие. (2014). «Количественное картирование люминесценции тонкопленочных солнечных элементов Cu (In, Ga) Se ₂ ». Прогресс в фотовольтаике . 23 (10): 1305–1312. DOI : 10.1002 / pip.2555 .
^ Готвальд, Александр; Шольце, Франк (2018-01-01), Нихтианов, Стоян; Луке, Антонио (ред.), «7 - Усовершенствованные кремниевые детекторы излучения в вакуумном ультрафиолете и крайнем ультрафиолетовом спектральном диапазоне» , Smart Sensors and MEMs (Second Edition) , Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Woodhead Publishing, стр. 151–170, ISBN 978-0-08-102055-5, дата обращения 19.08.2020
^ «Квантовая эффективность» . HiSoUR - Привет, ты . 2018-09-11 . Проверено 19 августа 2020 .
^ А. Rogalski, К. Adamiec и Дж Рутковский, Узкозонный Semiconductor фотодиоды , SPIE Press, 2000

[1] Шахин, Шон (2001). «Солнечные элементы из органического пластика с КПД 2,5%» . Письма по прикладной физике . 78 (6): 841. Bibcode : 2001ApPhL..78..841S . DOI : 10.1063 / 1.1345834 . Архивировано из оригинала на 2012-07-07 . Проверено 20 мая 2012 года .

[Trager200-2] Трегер, Франк (2012). Справочник по лазерам и оптике . Берлин Гейдельберг: Springer. стр. 601, 603. ISBN 9783642194092.

[3] Baker-Finch, Simeon C .; Макинтош, Кейт Р .; Ян, Ди; Фонг, Кин Черн; Хо, Тенг С. (13 августа 2014 г.). «Поглощение свободных носителей в ближней инфракрасной области в сильно легированном кремнии» . Журнал прикладной физики . 116 (6): 063106. DOI : 10,1063 / 1,4893176 . hdl : 1885/16116 . ISSN 0021-8979 .

[4] Пленка из кремниевых наночастиц может повысить производительность солнечных элементов.

[5] Деламар; и другие. (2013). Фрейндлих, Александр; Guillemoles, Жан-Франсуа (ред.). «Оценка боковых флуктуаций транспортных свойств микрометрового масштаба в солнечных элементах CIGS». Proc. ШПИОН . Физика, моделирование и фотонная инженерия фотоэлектрических устройств II. 100 : 862009. Bibcode : 2013SPIE.8620E..09D . DOI : 10.1117 / 12.2004323 . S2CID 120825849 .

[6] А. Деламар; и другие. (2014). «Количественное картирование люминесценции тонкопленочных солнечных элементов Cu (In, Ga) Se ₂ ». Прогресс в фотовольтаике . 23 (10): 1305–1312. DOI : 10.1002 / pip.2555 .

[7] Готвальд, Александр; Шольце, Франк (2018-01-01), Нихтианов, Стоян; Луке, Антонио (ред.), «7 - Усовершенствованные кремниевые детекторы излучения в вакуумном ультрафиолете и крайнем ультрафиолетовом спектральном диапазоне» , Smart Sensors and MEMs (Second Edition) , Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Woodhead Publishing, стр. 151–170, ISBN 978-0-08-102055-5, дата обращения 19.08.2020

[8] «Квантовая эффективность» . HiSoUR - Привет, ты . 2018-09-11 . Проверено 19 августа 2020 .

[9] А. Rogalski, К. Adamiec и Дж Рутковский, Узкозонный Semiconductor фотодиоды , SPIE Press, 2000

[1]