Квантовая эффективность — это измерение того, насколько электрически светочувствительным является светочувствительное устройство. Фотореактивные поверхности используют энергию поступающих фотонов для создания электронно-дырочных пар, в которых энергия фотона увеличивает энергетический уровень электрона и позволяет электрону покинуть валентную зону, где электроны связаны с отдельными атомами, и войти в зону проводимости, где он может свободно перемещаться по всей атомной решетке материала. Чем выше процент фотонов, создающих электронно-дырочную пару при попадании на фотореактивную поверхность, тем выше ее квантовая эффективность. Квантовая эффективность является важной характеристикой ряда современных технологий, прежде всего фотоэлектрических солнечных элементов, используемых для выработки электроэнергии, а также фотопленки и устройств с зарядовой связью.
Энергия фотона зависит от длины волны фотона, и квантовая эффективность устройства может различаться для разных длин волн света. Различные конфигурации материалов различаются по тому, как они поглощают и отражают разные длины волн, и это важный фактор, определяющий, какие вещества используются в различных светочувствительных устройствах. Наиболее распространенным материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний, но элементы на основе других фотореактивных веществ, таких как теллурид кадмия и Также существуют медь селенид индия-галлия. Фотопленка использует бромид серебра, хлорид серебра или йодид серебра, отдельно или в комбинации.
Наивысшую квантовую эффективность обеспечивают устройства с зарядовой связью, используемые для цифровой фотографии и изображений с высоким разрешением. Эти устройства собирают фотоны с помощью слоя эпитаксиального кремния, легированного бором, который создает электрические заряды, которые затем передаются через ряд конденсаторов в усилитель заряда. Усилитель заряда преобразует заряды в серию напряжений, которые можно обрабатывать как аналоговый сигнал или записывать в цифровом виде. Устройства с зарядовой связью, которые часто используются в научных приложениях, таких как астрономия и биология, требующих высокой точности и чувствительности, могут иметь квантовую эффективность 90 процентов и более.
В солнечных элементах квантовую эффективность иногда делят на два измерения: внешнюю квантовую эффективность и внутреннюю квантовую эффективность. Внешняя эффективность — это процентная доля всех фотонов, попадающих в солнечный элемент, которые создают электронно-дырочная пара, которая успешно собирается клеткой. Квантовая эффективность учитывает только те фотоны, попадающие в ячейку, которые не были отражены или переданы из ячейки. Плохая внутренняя эффективность указывает на то, что слишком много электронов, которые были подняты до уровня проводимости, теряют свою энергию и снова присоединяются к атому на уровне валентности, процесс, называемый рекомбинацией. Плохая внешняя эффективность может быть либо отражением плохой внутренней эффективности, либо означать, что большое количество света, достигающего клетки, недоступно для использования, потому что оно отражается клеткой или проходит через нее.
Как только электроны начинают двигаться в зону проводимости, конструкция солнечного элемента управляет направлением их движения, создавая поток электричества постоянного тока. Поскольку более высокая квантовая эффективность означает, что больше электронов может войти в зону проводимости и успешно собраться, более высокая эффективность позволяет генерировать больше энергии. Большинство солнечных элементов спроектированы так, чтобы максимизировать квантовую эффективность на длинах волн света, наиболее распространенных в атмосфере Земли, а именно в видимом спектре, хотя специальные солнечные элементы предназначены для использования инфракрасный или ультрафиолетовый свет.
