ประสิทธิภาพควอนตัม ( QE ) ของโฟโตดีเทคเตอร์คือการวัดการตอบสนองทางไฟฟ้าต่อแสง อีกชื่อหนึ่งคืออัตราส่วนโฟตอนตกกระทบต่ออิเล็กตรอนที่แปลง^แล้ว ( IPCE ) [ ^{1 ]}

ในอุปกรณ์ CCD หรือโฟโตดีเทคเตอร์อื่นๆ ประสิทธิภาพควอนตัมคืออัตราส่วนระหว่างจำนวนตัวนำประจุที่รวบรวมได้ที่ขั้วใดขั้วหนึ่งกับจำนวนโฟตอนที่กระทบกับพื้นผิวที่ไวต่อแสงของอุปกรณ์ เนื่องจากเป็นอัตราส่วน QE จึงไม่มีมิติ แต่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับค่าการตอบสนองซึ่งแสดงในหน่วยแอมป์ต่อวัตต์เนื่องจากพลังงานของโฟตอนแปรผกผันกับความยาวคลื่น QE จึงมักถูกวัดในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเพื่อกำหนดลักษณะประสิทธิภาพ ของอุปกรณ์ ที่ระดับพลังงานโฟตอนแต่ละระดับ สำหรับโฟโตดีเทคเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป QE จะลดลงเหลือศูนย์สำหรับโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าช่องว่างแถบ พลังงาน ฟิล์มถ่ายภาพโดยทั่วไปมี QE น้อยกว่า 10% มาก^{[ 2 ]}ในขณะที่ CCD สามารถมี QE ได้มากกว่า 90% ที่ความยาวคลื่นบางช่วง

ค่า ประสิทธิภาพควอนตัมของเซลล์แสงอาทิตย์บ่งบอกถึงปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เซลล์จะผลิตได้เมื่อได้รับแสงจากโฟตอนที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ หากเราคำนวณประสิทธิภาพควอนตัมของเซลล์ โดย ครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงอาทิตย์ทั้งหมดเราสามารถประเมินปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เซลล์จะผลิตได้เมื่อได้รับแสงแดด อัตราส่วนระหว่างค่าการผลิตพลังงานนี้กับค่าการผลิตพลังงานสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเซลล์ (เช่น หากประสิทธิภาพควอนตัมเท่ากับ 100% ตลอดทั้งสเปกตรัม) จะให้ ค่า ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน โดยรวมของเซลล์ โปรดทราบว่าในกรณีของการสร้างเอ็กซิตอนหลายตัว (MEG) ประสิทธิภาพควอนตัมอาจสูงกว่า 100% ได้ เนื่องจากโฟตอนที่ตกกระทบมีพลังงานมากกว่าสองเท่าของช่องว่างแถบพลังงานและสามารถสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลได้สองคู่ขึ้นไปต่อโฟตอนที่ตกกระทบ หนึ่งตัว

โดยทั่วไปมักพิจารณาประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของเซลล์แสงอาทิตย์สองประเภท:

• ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE)คืออัตราส่วนของจำนวนตัวนำประจุที่เซลล์แสงอาทิตย์รวบรวมได้ต่อจำนวนโฟตอนที่มีพลังงานที่กำหนดซึ่งส่องมายังเซลล์แสงอาทิตย์จากภายนอก (โฟตอนตกกระทบ)
• ประสิทธิภาพควอนตัมภายใน (IQE)คืออัตราส่วนของจำนวนตัวนำประจุที่เซลล์แสงอาทิตย์รวบรวมได้ต่อจำนวนโฟตอนที่มีพลังงานที่กำหนดซึ่งส่องมายังเซลล์แสงอาทิตย์จากภายนอกและถูกดูดซับโดยเซลล์

ค่า IQE จะมากกว่าค่า EQE เสมอในช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ค่า IQE ที่ต่ำแสดงว่าชั้นแอคทีฟของเซลล์แสงอาทิตย์ไม่สามารถใช้ประโยชน์จากโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งอาจเกิดจากประสิทธิภาพการเก็บรวบรวมพาหะที่ไม่ดี ในการวัดค่า IQE ขั้นแรกต้องวัดค่า EQE ของอุปกรณ์โซลาร์เซลล์ก่อน จากนั้นวัดค่าการส่งผ่านและการสะท้อนแสง และรวมข้อมูลเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อหาค่า IQE $$EQE = อิเล็กตรอน/วินาที / โฟตอน/วินาที = (กระแสไฟฟ้า / ประจุของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว) / (กำลังรวมของโฟตอน) / (พลังงานของโฟตอนหนึ่งตัว)$$$${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{อิเล็กตรอน/วินาที}}{\text{โฟตอนที่ถูกดูดซับ/วินาที}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-การสะท้อน-การส่งผ่าน}}}}$$

ดังนั้น ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกจึงขึ้นอยู่กับการดูดซับแสงและการรวบรวมประจุ เมื่อโฟตอนถูกดูดซับและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลแล้ว ประจุเหล่านี้จะต้องถูกแยกและรวบรวมที่จุดเชื่อมต่อ วัสดุที่ดีจะหลีกเลี่ยงการรวมตัวของประจุ การรวมตัวของประจุทำให้ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกลดลง

กราฟประสิทธิภาพควอนตัมในอุดมคติจะมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยที่ค่า QE จะค่อนข้างคงที่ตลอดช่วงความยาวคลื่นที่วัดได้ อย่างไรก็ตาม QE สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะลดลงเนื่องจากผลกระทบของการรวมตัวใหม่ ซึ่งตัวนำประจุไม่สามารถเคลื่อนที่เข้าไปในวงจรภายนอกได้ กลไกเดียวกันที่ส่งผลต่อความน่าจะเป็นในการเก็บรวบรวมก็ส่งผลต่อ QE ด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้านหน้าสามารถส่งผลต่อตัวนำที่เกิดขึ้นใกล้พื้นผิว ชั้นพื้นผิวด้านหน้าที่มีการเจือปนสูงยังสามารถทำให้เกิด 'การดูดซับตัวนำอิสระ' ซึ่งลด QE ในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น^{[ 3 ]}และเนื่องจากแสงพลังงานสูง (สีน้ำเงิน) ถูกดูดซับใกล้กับพื้นผิวมาก การรวมตัวใหม่ที่พื้นผิวด้านหน้าจำนวนมากจะส่งผลต่อส่วน "สีน้ำเงิน" ของ QE ในทำนองเดียวกัน แสงพลังงานต่ำ (สีเขียว) จะถูกดูดซับในเนื้อของเซลล์แสงอาทิตย์ และความยาวการแพร่กระจายต่ำจะส่งผลต่อความน่าจะเป็นในการเก็บรวบรวมจากเนื้อเซลล์แสงอาทิตย์ ลด QE ในส่วนสีเขียวของสเปกตรัม โดยทั่วไป เซลล์แสงอาทิตย์ที่วางจำหน่ายในปัจจุบันไม่ได้ผลิตกระแสไฟฟ้าจาก แสง อัลตราไวโอเลตและอินฟราเรด มากนัก (ความยาวคลื่น <400 นาโนเมตร และ >1100 นาโนเมตร ตามลำดับ) ความยาวคลื่นของแสงเหล่านี้จะถูกกรองออกหรือถูกดูดซับโดยเซลล์ ทำให้เซลล์ร้อนขึ้น ความร้อนนั้นเป็นพลังงานที่สูญเปล่า และอาจทำให้เซลล์เสียหายได้^{[ 4 ]}

ประสิทธิภาพควอนตัม (QE) คือสัดส่วนของฟลักซ์โฟตอนที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในโฟโตดีเทคเตอร์หรือพิกเซล ประสิทธิภาพควอนตัมเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่ใช้ในการประเมินคุณภาพของดีเทคเตอร์ และมักเรียกว่าการตอบสนองเชิงสเปกตรัมเพื่อสะท้อนถึงการพึ่งพาความยาวคลื่น โดยนิยามแล้วคือจำนวนอิเล็กตรอนสัญญาณที่สร้างขึ้นต่อโฟตอนที่ตกกระทบ ในบางกรณีอาจเกิน 100% (เช่น เมื่อมีการสร้างอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัวต่อโฟตอนที่ตกกระทบ)

การวัด EQE แบบดั้งเดิมจะให้ประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม การมีแผนที่ EQE ในพื้นที่ขนาดใหญ่ของอุปกรณ์มักเป็นประโยชน์ แผนที่นี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการมองเห็นความสม่ำเสมอและ/หรือข้อบกพร่องในตัวอย่าง นักวิจัยจากสถาบันวิจัยและพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์ (IRDEP) ได้ตระหนักถึงเรื่องนี้ โดยคำนวณแผนที่ EQE จากการวัดอิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์ที่ถ่ายด้วยเครื่องถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัม^{[ 5 ] [ 6 ]}

การตอบสนองเชิงสเปกตรัมเป็นการวัดที่คล้ายกัน แต่มีหน่วยที่แตกต่างกัน คือแอมแปร์ต่อวัตต์ (A/W) (กล่าวคือกระแสไฟฟ้าที่ออกมาจากอุปกรณ์ต่อหน่วยกำลัง แสงตกกระทบ ) ^{[ 7 ]}โดยทั่วไปแล้ว การตอบสนองจะถูกระบุสำหรับแสงโมโนโครมาติก (กล่าวคือ แสงที่มีความยาวคลื่นเดียว) ทั้งประสิทธิภาพควอนตัมและการตอบสนองเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่นของโฟตอน (ระบุโดยตัวห้อย λ)

เพื่อแปลงจากค่าการตอบสนอง ( R _λใน A/W) เป็น QE _λ ^{[ 8 ]} (ในมาตราส่วน 0 ถึง 1): โดยที่λคือความยาวคลื่นในหน่วยนาโนเมตร , hคือ ค่า คงที่ของพลังค์ , cคือความเร็วแสงในสุญญากาศ และeคือประจุพื้นฐานโปรดทราบว่าหน่วย W/A (วัตต์ต่อแอมแปร์) เทียบเท่ากับ V (โวลต์) $${\displaystyle QE_{\lambda }={\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}\times {\frac {hc}{e}}\approx {\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}{\times }(1240\;\mathrm {W\cdot {nm}/A} )}$$

$${\displaystyle QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}}$$ โดยที่= จำนวนอิเล็กตรอนที่ผลิตได้, = จำนวนโฟตอนที่ถูกดูดซับ ${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle N_{\nu }}$$${\displaystyle {\frac {N_{\nu }}{t}}=\Phi _{o}{\frac {\lambda }{hc}}}$$

โดยสมมติว่าโฟตอนแต่ละตัวที่ถูกดูดซับในชั้นพร่องจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่ใช้งานได้ และโฟตอนอื่นๆ ทั้งหมดจะไม่สร้างคู่ดังกล่าว โดยที่tคือเวลาในการวัด (หน่วยเป็นวินาที) = กำลังแสงตกกระทบ (หน่วยเป็นวัตต์) = กำลังแสงที่ถูกดูดซับในชั้นพร่อง (หน่วยเป็นวัตต์เช่นกัน) $${\displaystyle {\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}}$$${\displaystyle \Phi _{o}}$${\displaystyle \Phi _{\xi }}$

• ประสิทธิภาพการนับ
• ดีเคอี (การถ่ายภาพ)
• ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์