¿Qué es la eficiencia cuántica?

La eficiencia cuántica es una medida de cuán eléctricamente fotosensible es un dispositivo fotosensible. Las superficies fotorreactivas utilizan la energía de los fotones entrantes para crear pares de electrones, en los que la energía del fotón aumenta el nivel de energía de un electrón y permite que el electrón salga de la banda de valencia, donde los electrones están unidos a átomos individuales, y entran en la banda de conducción. , donde puede moverse libremente a través de toda la red atómica del material. Cuanto mayor es el porcentaje de fotones que producen un par de electrones al golpear la superficie fotorreactiva, mayor es su eficiencia cuántica. La eficiencia cuántica es una característica importante de una serie de tecnologías modernas, en particular las células solares fotovoltaicas utilizadas para generar electricidad, así como la película fotográfica y los dispositivos acoplados a la carga.

La energía de los fotones varía con la longitud de onda del fotón, y la eficiencia cuántica de un dispositivo puede variar para diferentes longitudes de onda de luz. Las diferentes configuraciones de materiales varían en la forma en que absorben y reflejan diferentes longitudes de onda, y este es un factor importante en las sustancias que se utilizan en diferentes dispositivos fotosensibles. El material más común para las células solares es el silicio cristalino, pero también existen células basadas en otras sustancias fotorreactivas, como el telururo de cadmio y el seleniuro de cobre, indio y galio. La película fotográfica utiliza bromuro de plata, cloruro de plata o yoduro de plata, ya sea solo o en combinación.

Las eficiencias cuánticas más altas son producidas por dispositivos acoplados a carga utilizados para fotografía digital e imágenes de alta resolución. Estos dispositivos recogen fotones con una capa de silicio epitaxial dopado con boro, que crea cargas eléctricas que luego se transfieren a través de una serie de condensadores a un amplificador de carga. El amplificador de carga convierte las cargas en una serie de voltajes que pueden procesarse como una señal analógica o grabarse digitalmente. Los dispositivos acoplados a la carga, que se utilizan a menudo en aplicaciones científicas como la astronomía y la biología que requieren gran precisión y sensibilidad, pueden tener eficiencias cuánticas de 90 por ciento o más.

En las células solares, la eficiencia cuántica a veces se divide en dos mediciones, la eficiencia cuántica externa y la eficiencia cuántica interna. La eficiencia externa es una medida del porcentaje de todos los fotones que golpean la célula solar que producen un par de electrones que la célula recolecta con éxito. La eficiencia cuántica cuenta solo aquellos fotones que golpean la célula que no se reflejaron o transmitieron fuera de la célula. La pobre eficiencia interna indica que demasiados electrones que se habían elevado hasta el nivel de conducción están perdiendo su energía y nuevamente se unen a un átomo en el nivel de valencia, un proceso llamado recombinación. La pobre eficiencia externa puede ser un reflejo de una pobre eficiencia interna o puede significar que grandes cantidades de luz que llegan a la celda no están disponibles para su uso porque la celda la refleja o no le permite pasar a través de ella.

Una vez que los electrones comienzan a moverse hacia la banda de conducción, el diseño de la celda solar controla la dirección de su movimiento para crear un flujo de electricidad de corriente continua. Como una mayor eficiencia cuántica significa que más electrones pueden ingresar a la banda de conducción y ser recolectados con éxito, una mayor eficiencia hace posible generar más energía. La mayoría de las células solares están diseñadas para maximizar la eficiencia cuántica en las longitudes de onda de la luz más comunes en la atmósfera de la Tierra, a saber, el espectro visible, aunque también se han desarrollado células solares especializadas para explotar la luz infrarroja o ultravioleta.