Die Quanteneffizienz ist ein Maß dafür, wie elektrisch lichtempfindlich ein lichtempfindliches Gerät ist. Photoreaktive Oberflächen nutzen die Energie einfallender Photonen, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, wobei die Energie des Photons das Energieniveau eines Elektrons erhöht und es dem Elektron ermöglicht, sich aus dem Valenzband zu bewegen, wo die Elektronen zusammenkleben. an einzelne Atome und treten in das Leitungsband ein. , wo es sich frei durch das gesamte Atomgitter des Materials bewegen kann. Je größer der Prozentsatz der Photonen ist, die beim Auftreffen auf die photoreaktive Oberfläche ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, desto größer ist ihre Quanteneffizienz. Quanteneffizienz ist ein wichtiges Merkmal mehrerer moderner Technologien, insbesondere von Photovoltaik-Solarzellen zur Stromerzeugung sowie von Fotofilmen und ladungsgekoppelten Geräten.
Die Energie des Photons variiert mit der Wellenlänge des Photons, und die Quanteneffizienz eines Geräts kann für verschiedene Lichtwellenlängen variieren. Unterschiedliche Materialkonfigurationen unterscheiden sich darin, wie sie unterschiedliche Wellenlängen absorbieren und reflektieren. Dies ist ein wichtiger Faktor bei Substanzen, die in verschiedenen lichtempfindlichen Geräten verwendet werden. Das gebräuchlichste Material für Solarzellen ist kristallines Silizium, es gibt aber auch Zellen, die auf anderen photoreaktiven Substanzen wie Cadmiumtellurid und Kupfer, Indium, Galliumselenid basieren. Fotofilme verwenden Silberbromid, Silberchlorid oder Silberiodid, entweder allein oder in Kombination.
Die höchsten Quanteneffizienzen werden durch ladungsgekoppelte Geräte erzielt, die für die digitale Fotografie und hochauflösende Bildgebung verwendet werden. Diese Geräte sammeln Photonen mit einer Schicht aus mit Bor dotiertem epitaktischem Silizium, wodurch elektrische Ladungen entstehen, die dann über eine Reihe von Kondensatoren an einen Ladungsverstärker weitergeleitet werden. Der Ladungsverstärker wandelt die Ladungen in eine Reihe von Spannungen um, die als analoges Signal verarbeitet oder digital erfasst werden können. Ladungsgekoppelte Geräte werden häufig in wissenschaftlichen Anwendungen wie der Astronomie und Biologie eingesetzt, die eine hohe Präzision und Empfindlichkeit erfordern, und können Quanteneffizienzen von 90 Prozent oder mehr aufweisen.
In Solarzellen wird die Quanteneffizienz manchmal in zwei Maße unterteilt: externe Quanteneffizienz und interne Quanteneffizienz. Der externe Wirkungsgrad ist ein Maß für den Prozentsatz aller Photonen, die auf die Solarzelle treffen und ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, das die Zelle erfolgreich sammelt. Bei der Quanteneffizienz werden nur die Photonen gezählt, die die Zelle treffen und nicht reflektiert oder aus der Zelle heraus übertragen werden. Eine schlechte interne Effizienz weist darauf hin, dass zu viele Elektronen, die auf das Leitungsniveau aufgestiegen sind, ihre Energie verlieren und sich wieder an ein Atom im Valenzniveau anlagern, ein Prozess, der als Rekombination bezeichnet wird. Eine schlechte äußere Effizienz kann auf eine schlechte interne Effizienz zurückzuführen sein oder bedeuten, dass große Lichtmengen, die die Zelle erreichen, nicht zur Nutzung zur Verfügung stehen, weil sie von der Zelle reflektiert oder durchgelassen werden.
Sobald die Elektronen beginnen, sich in Richtung des Leitungsbandes zu bewegen, steuert das Solarzellendesign die Richtung ihrer Bewegung, um einen Stromfluss mit Gleichstrom zu erzeugen. Da eine höhere Quanteneffizienz bedeutet, dass mehr Elektronen in das Leitungsband gelangen und erfolgreich gesammelt werden können, ermöglicht eine höhere Effizienz die Erzeugung von mehr Energie. Die meisten Solarzellen sind darauf ausgelegt, die Quanteneffizienz bei den in der Erdatmosphäre am häufigsten vorkommenden Lichtwellenlängen, nämlich dem sichtbaren Spektrum, zu maximieren, obwohl auch spezielle Solarzellen für die Nutzung von Infrarotlicht entwickelt wurden. oder ultraviolett.