Квантовая эффективность

Термин квантовая эффективность ( QE ) может применяться к падающего фотона к преобразованному электрону ( IPCE ). отношению ^[1] , фоточувствительного устройства или это может относиться к эффекту TMR магнитного туннельного перехода.

В этой статье этот термин рассматривается как измерение электрической чувствительности устройства к свету. В устройстве с зарядовой связью (CCD) или другом фотодетекторе это соотношение между количеством носителей заряда, собранных на любом выводе, и количеством фотонов, попадающих на фотореактивную поверхность устройства. Как соотношение, QE безразмерен, но он тесно связан с чувствительностью , которая выражается в амперах на ватт . Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны устройства , QE часто измеряется в диапазоне различных длин волн, чтобы охарактеризовать эффективность на каждом уровне энергии фотона. Для типичных полупроводниковых фотодетекторов QE падает до нуля для фотонов, энергия которых ниже запрещенной зоны . Фотопленка обычно имеет QE намного меньше 10%. ^[2] в то время как ПЗС-матрицы могут иметь QE более 90% на некоторых длинах волн.

QE солнечных элементов

График, показывающий изменение внутренней квантовой эффективности, внешней квантовой эффективности и коэффициента отражения в зависимости от длины волны солнечного элемента из кристаллического кремния.

солнечного элемента указывает на Значение квантовой эффективности величину тока, который элемент будет производить при облучении фотонами определенной длины волны. Если квантовая эффективность ячейки интегрирована по всему солнечному электромагнитному спектру , можно оценить величину тока, который будет производить ячейка под воздействием солнечного света. ячейки эффективности преобразования энергии Соотношение между этим значением производства энергии и максимально возможным значением производства энергии для ячейки (т.е., если QE составляло 100% по всему спектру) дает общее значение . Обратите внимание, что в случае генерации множественных экситонов (MEG) может быть достигнута квантовая эффективность более 100%, поскольку падающие фотоны имеют более чем в два раза большую ширину запрещенной зоны и могут создавать две или более пары электрон-дырка на каждый падающий фотон.

Типы

Часто рассматривают два типа квантовой эффективности солнечного элемента:

Внешняя квантовая эффективность (EQE) — это отношение количества носителей заряда, собранных солнечным элементом, к количеству фотонов заданной энергии, светящих на солнечный элемент снаружи (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 ячейкой.

IQE всегда больше EQE в видимом спектре. Низкий IQE указывает на то, что активный слой солнечного элемента не может эффективно использовать фотоны, скорее всего, из-за плохой эффективности сбора носителей. Чтобы измерить IQE, сначала измеряют EQE солнечного устройства, затем измеряют его передачу и отражение и объединяют эти данные для определения 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 поглотился и образовал пару электрон-дырка, эти заряды необходимо разделить и собрать на стыке. «Хороший» материал избегает рекомбинации зарядов. Рекомбинация зарядов приводит к падению внешней квантовой эффективности.

График идеальной квантовой эффективности имеет квадратную форму , где значение QE достаточно постоянно во всем спектре измеряемых длин волн. Однако КС 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 количественное смягчение. Например, изменение передней поверхности может повлиять на носители, генерируемые вблизи поверхности. Сильно легированные передние поверхностные слои также могут вызывать «поглощение свободных носителей», что снижает QE в более длинных волнах. ^[3] А поскольку высокоэнергетический (синий) свет поглощается очень близко к поверхности, значительная рекомбинация на передней поверхности повлияет на «синюю» часть КС. Аналогичным образом, свет более низкой энергии (зеленый) поглощается в объеме солнечного элемента, а малая длина диффузии повлияет на вероятность сбора из объема солнечного элемента, уменьшая QE в зеленой части спектра. Как правило, солнечные элементы, представленные сегодня на рынке, не производят много электроэнергии из ультрафиолетового и инфракрасного света (длины волн <400 нм и >1100 нм соответственно); эти длины волн света либо отфильтровываются, либо поглощаются клеткой, нагревая клетку. Это тепло является пустой тратой энергии и может повредить клетку. ^[4]

Качество датчиков изображения

Квантовая эффективность (QE) — это доля потока фотонов, которая вносит вклад в фототок в фотодетекторе или пиксель. Квантовая эффективность является одним из наиболее важных параметров, используемых для оценки качества детектора, и его часто называют спектральным откликом, чтобы отразить его зависимость от длины волны. Он определяется как количество сигнальных электронов, созданных на один падающий фотон. В некоторых случаях оно может превышать 100% (т.е. когда на один падающий фотон создается более одного электрона).

Сопоставление EQE

Традиционное измерение EQE позволит оценить эффективность всего устройства. Однако часто бывает полезно иметь карту EQE на большой площади устройства. Такое отображение обеспечивает эффективный способ визуализации однородности и/или дефектов образца. Это было реализовано исследователями из Института исследований и разработок фотоэлектрической энергии (IRDEP), которые рассчитали отображение EQE на основе измерений электролюминесценции, полученных с помощью гиперспектрального формирователя изображения. ^[5]^[6]

Спектральная чувствительность

Спектральная чувствительность — аналогичное измерение, но имеет другие единицы измерения: амперы на ватт (А/Вт); (т.е. какой ток выходит из устройства на единицу мощности падающего света ). ^[7] Чувствительность обычно указывается для монохроматического света (т.е. света одной длины волны). ^{[ нужна ссылка ]} И квантовая эффективность, и чувствительность являются функциями длины волны фотонов (обозначается индексом λ).

Чтобы преобразовать чувствительность ( $R λ$ , в A/W) в QE _λ^[8] (по шкале от 0 до 1): $QE_{\lambda }={\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}\times {\frac {hc}{e}}\approx {\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}{\times }(1240\;\mathrm {W\cdot {nm}/A} )$ где $λ$ — длина волны в нм , h — постоянная Планка , c — скорость света в вакууме, а e — элементарный заряд . Обратите внимание, что единица измерения W/A (ватты на ампер) эквивалентна В (вольтам).

Определение

$QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}$ где $N_{e}$ = количество произведенных электронов, $N_{\nu }$ = количество поглощенных фотонов. ${\frac {N_{\nu }}{t}}=\Phi _{o}{\frac {\lambda }{hc}}$

Предполагая, что каждый фотон, поглощенный в обедненном слое, образует жизнеспособную электронно-дырочную пару, а все остальные фотоны — нет, ${\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}$ где t – время измерения (в секундах), $\Phi _{o}$ = падающая оптическая мощность в ваттах, $\Phi _{\xi }$ = оптическая мощность, поглощаемая в истощенном слое, также в ваттах.

См. также

Ссылки

^ Шахин, Шон (2001). «Солнечные элементы из органического пластика с эффективностью 2,5%» . Письма по прикладной физике . 78 (6): 841. Бибкод : 2001ApPhL..78..841S . дои : 10.1063/1.1345834 . hdl : 11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2 . Архивировано из оригинала 7 июля 2012 г. Проверено 20 мая 2012 г.
^ Кэрриер, Фрэнк (2012). Справочник по лазерам и оптике . Берлин Гейдельберг: Springer. стр. 601, 603. ISBN. 9783642194092 .
^ Бейкер-Финч, Симеон К.; Макинтош, Кейт Р.; Ян, Ди; Фонг, Кин Черн; Хо, Тенг К. (13 августа 2014 г.). «Поглощение свободных носителей заряда в ближнем инфракрасном диапазоне в сильно легированном кремнии» . Журнал прикладной физики . 116 (6): 063106. Бибкод : 2014JAP...116f3106B . дои : 10.1063/1.4893176 . hdl : 1885/16116 . ISSN 0021-8979 .
^ Пленка из кремниевых наночастиц может повысить производительность солнечных батарей.
^ Деламар; и др. (2013). Фрейндлих, Александр; Гиймоль, Жан-Франсуа (ред.). «Оценка боковых колебаний транспортных свойств в микрометровом масштабе в солнечных элементах CIGS». Учеб. ШПИОН . Физика, моделирование и фотонная инженерия фотоэлектрических устройств II. 100 : 862009. Бибкод : 2013SPIE.8620E..09D . дои : 10.1117/12.2004323 . S2CID 120825849 .
^ А. Деламар; и др. (2014). Cu(In,Ga)Se ₂ «Количественное люминесцентное картирование тонкопленочных солнечных элементов ». Прогресс в фотоэлектрической энергетике . 23 (10): 1305–1312. дои : 10.1002/pip.2555 . S2CID 98472503 .
^ Готвальд, Александр; Шольце, Франк (01 января 2018 г.), Нихтианов, Стоян; Люке, Антонио (ред.), «7 - Усовершенствованные кремниевые детекторы излучения в вакуумном ультрафиолетовом и крайнем ультрафиолетовом спектральном диапазоне» , « Интеллектуальные датчики и МЭМ» (второе издание) , серия публикаций Woodhead Publishing по электронным и оптическим материалам, Woodhead Publishing, стр. 151–170, ISBN 978-0-08-102055-5 , получено 19 августа 2020 г.
^ А. Рогальски, К. Адамец и Дж. Рутковски, Полупроводниковые фотодиоды с узкой щелью , SPIE Press, 2000

[1] Шахин, Шон (2001). «Солнечные элементы из органического пластика с эффективностью 2,5%» . Письма по прикладной физике . 78 (6): 841. Бибкод : 2001ApPhL..78..841S . дои : 10.1063/1.1345834 . hdl : 11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2 . Архивировано из оригинала 7 июля 2012 г. Проверено 20 мая 2012 г.

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

[3] Бейкер-Финч, Симеон К.; Макинтош, Кейт Р.; Ян, Ди; Фонг, Кин Черн; Хо, Тенг К. (13 августа 2014 г.). «Поглощение свободных носителей заряда в ближнем инфракрасном диапазоне в сильно легированном кремнии» . Журнал прикладной физики . 116 (6): 063106. Бибкод : 2014JAP...116f3106B . дои : 10.1063/1.4893176 . hdl : 1885/16116 . ISSN 0021-8979 .

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

[5] Деламар; и др. (2013). Фрейндлих, Александр; Гиймоль, Жан-Франсуа (ред.). «Оценка боковых колебаний транспортных свойств в микрометровом масштабе в солнечных элементах CIGS». Учеб. ШПИОН . Физика, моделирование и фотонная инженерия фотоэлектрических устройств II. 100 : 862009. Бибкод : 2013SPIE.8620E..09D . дои : 10.1117/12.2004323 . S2CID 120825849 .

[6] А. Деламар; и др. (2014). Cu(In,Ga)Se ₂ «Количественное люминесцентное картирование тонкопленочных солнечных элементов ». Прогресс в фотоэлектрической энергетике . 23 (10): 1305–1312. дои : 10.1002/pip.2555 . S2CID 98472503 .

[7] Готвальд, Александр; Шольце, Франк (01 января 2018 г.), Нихтианов, Стоян; Люке, Антонио (ред.), «7 - Усовершенствованные кремниевые детекторы излучения в вакуумном ультрафиолетовом и крайнем ультрафиолетовом спектральном диапазоне» , « Интеллектуальные датчики и МЭМ» (второе издание) , серия публикаций Woodhead Publishing по электронным и оптическим материалам, Woodhead Publishing, стр. 151–170, ISBN 978-0-08-102055-5 , получено 19 августа 2020 г.

[8] А. Рогальски, К. Адамец и Дж. Рутковски, Полупроводниковые фотодиоды с узкой щелью , SPIE Press, 2000

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]