Efficacité quantique – HiSoUR Art Culture Histoire

Le terme d’efficacité quantique (QE) peut s’appliquer au rapport entre les photons incidents et les électrons convertis (IPCE) d’un dispositif photosensible ou à l’effet TMR d’une jonction de tunnel magnétique.

Cet article traite du terme comme une mesure de la sensibilité électrique d’un appareil à la lumière.Dans un dispositif à couplage de charge (CCD), c’est le pourcentage de photons frappant la surface photoréactive de l’appareil qui produit des porteurs de charge. Il est mesuré en électrons par photon ou en ampères par watt. Comme l’énergie d’un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde, le QE est souvent mesuré sur une gamme de longueurs d’ondes différentes pour caractériser l’efficacité d’un dispositif à chaque niveau d’énergie photonique. Le QE pour les photons dont l’énergie est inférieure à la bande interdite est de zéro. Le film photographique a généralement un QE très inférieur à 10%, tandis que les CCD peuvent avoir un QE bien supérieur à 90% à certaines longueurs d’onde.

Des cellules solaires
La valeur d’efficacité quantique d’une cellule solaire indique la quantité de courant que la cellule produira lorsqu’elle sera irradiée par des photons d’une longueur d’onde particulière. Si le rendement quantique de la cellule est intégré à tout le spectre électromagnétique solaire, on peut évaluer la quantité de courant que la cellule produira lorsqu’elle sera exposée au soleil. Le rapport entre cette valeur de production énergétique et la valeur de production d’énergie la plus élevée possible pour la cellule (c.-à-d. Si le QE était de 100% sur l’ensemble du spectre) donne la valeur d’efficacité de conversion énergétique globale de la cellule. Notez que dans le cas de la génération de plusieurs excitons (MEG), des rendements quantiques supérieurs à 100% peuvent être atteints puisque les photons incidents ont plus du double de l’énergie de bande interdite et peuvent créer deux paires électron-trou ou plus par photon incident.

Les types
Deux types d’efficacité quantique d’une cellule solaire sont souvent considérés:
L’efficacité externe quantique (EQE) est le rapport entre le nombre de porteurs de charge collectés par la cellule solaire et le nombre de photons d’une énergie donnée brillante sur la cellule solaire depuis l’extérieur (photons incidents).

L’efficacité quantique interne (IQE) est le rapport entre le nombre de porteurs de charge collectés par la cellule solaire et le nombre de photons d’une énergie donnée qui brillent sur la cellule solaire depuis l’extérieur et sont absorbés par la cellule.

L’IQE est toujours plus grand que l’EQE. Un faible IQE indique que la couche active de la cellule solaire ne peut pas bien utiliser les photons. Pour mesurer l’IQE, on mesure d’abord l’EQE du dispositif solaire, puis mesure sa transmission et sa réflexion, et combine ces données pour déduire l’IQE.

{\ displaystyle {\ text {EQE}} = {\ frac {\ text {électrons / sec}} {\ text {photons / sec}}} = {\ frac {{\ text {(actuel)}} / {\ text {(charge d'un électron)}}} {({\ text {puissance totale des photons}}) / ({\ text {énergie d'un photon}})}}}

{\ displaystyle {\ text {IQE}} = {\ frac {\ text {électrons / sec}} {\ text {photons absorbés / sec}}} = {\ frac {\ text {EQE}} {\ text {1 -Réflexion}}}}

L’efficacité quantique externe dépend donc à la fois de l’absorption de la lumière et de la collecte des charges. Une fois qu’un photon a été absorbé et a généré une paire électron-trou, ces charges doivent être séparées et collectées à la jonction. Un « bon » matériau évite la recombinaison de charge. La recombinaison de charge entraîne une baisse de l’efficacité quantique externe.

Le graphe d’efficacité quantique idéal a une forme carrée, où la valeur QE est relativement constante sur tout le spectre des longueurs d’onde mesurées. Cependant, le QE pour la plupart des cellules solaires est réduit en raison des effets de la recombinaison, où les porteurs de charge ne peuvent pas se déplacer dans un circuit externe. Les mêmes mécanismes qui affectent la probabilité de collecte affectent également le QE. Par exemple, la modification de la surface avant peut affecter les porteuses générées près de la surface. Et parce que la lumière à haute énergie (bleue) est absorbée très près de la surface, une recombinaison considérable à la surface avant aura une incidence sur la partie « bleue » du QE. De même, la lumière à faible énergie (verte) est absorbée dans la masse d’une cellule solaire et une faible longueur de diffusion affectera la probabilité de collecte de la masse de cellules solaires, réduisant ainsi le QE dans la partie verte du spectre. Généralement, les cellules solaires actuellement sur le marché ne produisent pas beaucoup d’électricité à partir de rayons ultraviolets et infrarouges (longueurs d’onde <400 nm et> 1100 nm, respectivement); ces longueurs d’onde de lumière sont soit filtrées soit absorbées par la cellule, chauffant ainsi la cellule. Cette chaleur est un gaspillage d’énergie et pourrait endommager la cellule.
Efficacité quantique des capteurs d’image: L’efficacité quantique (QE) est la fraction du flux de photons qui contribue au photocourant dans un photodétecteur ou un pixel. L’efficacité quantique est l’un des paramètres les plus importants utilisés pour évaluer la qualité d’un détecteur et est souvent appelée réponse spectrale pour refléter sa dépendance à la longueur d’onde. Il est défini comme le nombre d’électrons de signal créés par photon incident. Dans certains cas, il peut dépasser 100% (lorsque plus d’un électron est créé par photon incident).

Cartographie EQE: La mesure conventionnelle de l’EQE donnera l’efficacité de l’ensemble du dispositif. Cependant, il est souvent utile d’avoir une carte de l’EQE sur une grande surface de l’appareil. Cette cartographie constitue un moyen efficace de visualiser l’homogénéité et / ou les défauts de l’échantillon. Il a été réalisé par des chercheurs de l’Institut de recherche et de développement sur l’énergie photovoltaïque (IRDEP) qui ont calculé la cartographie EQE à partir de mesures d’électroluminescence effectuées avec un imageur hyperspectral.

Sensibilité spectrale
La sensibilité spectrale est une mesure similaire, mais elle a différentes unités: ampères par watt (A / W); (c.-à-d. combien de courant sort de l’appareil par photon entrant d’une énergie et d’une longueur d’onde données). L’efficacité quantique et la réactivité sont toutes deux des fonctions de la longueur d’onde des photons (indiquée par l’indice λ).
Pour convertir de la réceptivité (Rλ, en A / W) à QEλ (sur une échelle de 0 à 1):
$QE_ \ lambda = \ frac {R_ \ lambda} {\ lambda} \ times \ frac {hc} {e} \ approx \ frac {R_ \ lambda} {\ lambda} {\ times} (1240 \; {\ rm W } \ cdot {\ rm nm / A})$

où λ est la longueur d’onde en nm, h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière dans le vide et e la charge élémentaire.

Détermination
$QE_ \ lambda = \ eta = \ frac {N_e} {N_ \ nu}$
où $N_e$ = nombre d’électrons produits, $N_ \ nu$ = nombre de photons absorbés.
$\ frac {N_ \ nu} t = \ Phi_o \ frac {\ lambda} {hc}$
En supposant que chaque photon absorbé dans la couche de déplétion produit une paire électron-trou viable, et que tous les autres photons ne le font pas,
$\ frac {N_e} t = \ Phi _ {\ xi} \ frac {\ lambda} {hc}$
où t est le temps de mesure (en secondes), $\ Phi_o$ = puissance optique incidente en watts, $\ Phi _ {\ xi}$ = puissance optique absorbée dans la couche d’appauvrissement, également en watts.

Sensibilité spectrale
La même taille, mesurée entre autres pour les photodiodes, les cellules solaires ou les photocathodes en unités d’ampères par watt, est appelée réponse spectrale (SR):
${\ displaystyle SR (\ lambda) = {\ frac {I} {P (\ lambda)}}}$

dans lequel ${\ displaystyle P (\ lambda) = \ Phi _ {p} (\ lambda) h \ nu}$ le flux lumineux est à une longueur d’onde spécifique.
La connexion avec l’efficacité quantique ${\ displaystyle QE (\ lambda)}$ est:
${\ displaystyle QE (\ lambda) = {\ frac {SR (\ lambda)} {\ lambda}} \ cdot {\ frac {hc} {q}}}$

Le facteur ${\ displaystyle hc / q}$ est ${\ displaystyle 1 {,} 239842 \ cdot 10 ^ {- 6}}$ pour une sensibilité spectrale en A / W et en longueur d’onde en m.

Principe de mesure
Pour la mesure de l’efficacité quantique, la connaissance exacte du nombre de photons / puissance lumineuse irradiée (absolue) est nécessaire. Ceci est généralement réalisé par un dispositif de mesure ayant le rendement quantique connu d’un récepteur de comparaison (calibré), ${\ displaystyle QE _ {\ mathrm {cal}}}$ , est calibré. Il s’applique alors:
${\ displaystyle QE = QE _ {\ mathrm {cal}} \ cdot {\ frac {I _ {\ mathrm {mes}}} {I _ {\ mathrm {cal}}}}$

dans lequel ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {mes}}}$ le courant mesuré pour la cellule de test et ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {cal}}}$ sont le courant mesuré pour la cellule comparative.

Configuration de mesure
Pour l’éclairage, une source de lumière (lampe au xénon et / ou à halogène) et un monochromateur pour sélectionner les intervalles de longueur d’onde sont nécessaires. Les monochromateurs appropriés sont les monochromateurs à filtre ou les monochromateurs à réseau. La lumière monochromatique passe de manière aussi homogène que possible sur la surface du récepteur à tester.

La mesure du signal se fait souvent avec des amplificateurs à verrouillage pour améliorer le rapport signal / bruit; Pour cela, le signal lumineux doit être périodiquement modulé (pulsé) avec un hacheur optique.

Efficacité quantique vs rendement quantique
Deux facteurs limitent l’efficacité d’un processus induit par le quantum:
le taux de photons qui prend effectivement effet (le reste est absorbé d’une autre manière)
la proportion de l’énergie du photon transféré (hormis l’absorption multiphotonique, un seul photon sera jamais impliqué): l’énergie du photon émis sera plus faible du décalage de Stokes que celle du photon incident.
Importance pratique

Entre autres choses, le rendement quantique est important pour la caractérisation des photodiodes, des photocathodes des photocellules, des intensificateurs d’image et des photomultiplicateurs, mais aussi des luminophores, des lasers à fibre et des autres lasers à solide (à pompage léger).
L’efficacité quantique des photocathodes peut atteindre des valeurs supérieures à 50%. Les valeurs maximales actuelles sont:

Cs 2 Te à 213 nm: ~ 20%
GaAsP autour des 460 … 540 nm: ~ 50%
GaAs autour de 550 … 720 nm: ~ 25%
InP – InGaAsP à un peu plus de 1000 nm: ~ 1%

L’efficacité quantique des photodiodes monocristallines peut atteindre 90%; les photodiodes au silicium monocristallin atteignent une sensibilité spectrale d’environ 0,5 A / W à la longueur d’onde de réception optimale autour de 900 nm; Les cellules solaires n’atteignent généralement pas cette valeur – elles sont polycristallines ou amorphes et leur efficacité est optimisée dans la plage spectrale la plus large possible (lumière du soleil).
Il existe des rendements quantiques de colorants fluorescents utilisés pour l’analyse de 2 à 42%, qui dépendent fortement de la solution utilisée. Le colorant indocarbocyanine a une valeur de 28% à une longueur d’onde d’excitation de 678 nm (rouge) et un maximum de fluorescence à 703 nm.

L’efficacité quantique des luminophores utilisés à des fins d’éclairage (lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL), lampes fluorescentes, DEL blanches) est proche de 100% selon les différentes sources. Selon Henning Höppe, il existe des rendements quantiques de 70 à 90% à des longueurs d’onde d’excitation de 253,65 nm (décharge de gaz à vapeur de mercure) et de 450 nm (LED bleue).

Le rendement quantique joue également un rôle dans la photosynthèse et la productivité des cultures agricoles.