Efficacité quantique

L'efficacité quantique QE est le rapport entre le nombre de charges électroniques collectées et le nombre de photons incidents sur une surface photoréactive.


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  • ... Pour prouver l'efficacité de l'Ag3PO4, les chercheurs ont en premier lieu mesuré... un rayonnement de lumière visible (longueur d'onde supérieure à 400 nm).... Le rendement quantique de la réaction (quantité de O2 produit par... (source : bulletins-electroniques)

L'efficacité quantique QE (Quantum Efficiency en anglais) est le rapport entre le nombre de charges électroniques collectées et le nombre de photons incidents sur une surface photoréactive. Ce paramètre sert à caractériser un composant photosensible, comme un film photographique ou un capteur CCD, en termes de sensibilité électrique à la lumière.

L'efficacité quantique est quelquefois nommée aussi IPCE (Incident-Photon-to-electron Conversion Efficiency).

Représentation de l'efficacité quantique

Graphique montrant la variation de l'efficacité quantique selon la longueur d'onde, avec le capteur CCD "PC1" de la caméra WFPC2, anciennement montée sur Hubble.

Comme l'énergie d'un photon dépend de sa longueur d'onde, l'efficacité quantique est le plus souvent représentée sous la forme d'un spectre en fonction d'une plage de longueurs d'onde pour un capteur donné.

En intégrant l'efficacité quantique obtenue sur tout le spectre du rayonnement lumineux, on peut évaluer le courant produit par un capteur. Le rapport entre ce courant et le courant théorique maximal (QE égal à 100 % sur tout le spectre) se nomme le rendement électrique.

Approche mathématique

Ce paramètre dépend de la longueur d'onde, représentée par l'indice λ :

QE_\lambda=\eta =\frac{N_e}{N_\nu}
Nν = nombre de photons absorbés, Ne = nombre d'électrons produits.

Ces deux grandeurs sont calculées de la façon suivante :

N_\nu = \frac {\Phi_o}{\varepsilon_\lambda} {\times}t
N_e = \frac {\Phi_{\xi}}{\varepsilon_\lambda} {\times}t
avec Φo = puissance optique incidente en watts, Φξ = puissance optique absorbée en watts, {\varepsilon_\lambda} = énergie d'un photon de longueur d'onde λ, et t en secondes.

Avec les photons d'un niveau d'énergie localisé au-dessous de la bande interdite, le QE est égal à 0.

Les pellicules photographiques ont le plus souvent un QE inférieur à 10%, alors que celui de capteurs CCD peut jusqu'à dépasser 90% sur certaines longueurs d'onde.

Types d'efficacité quantique

Spectre d'EQE, d'IQE et de réflectance d'un cristal de silicium d'une cellule solaire avec une couche antiréflectrice.

Il existe deux types d'efficacité quantique d'un capteur photosensible, pour une longueur d'onde donnée :

L'IQE est un paramètre servant à s'affranchir de la réflectance et de sa transmittance du capteur. Elle est toujours supérieure l'EQE. La détermination de l'IQE d'un capteur est réalisée par la combinaison des mesures de son EQE, de sa réflectance et de sa transmittance.

Sensibilité spectrale

Le sensibilité spectrale est une mesure identique, mais avec des unités différentes : ampère par watt (A/W). Elle sert à quantifier le courant produit comparé à la puissance reçue d'un faisceau lumineux. Tout comme l'efficacité quantique, ce paramètre dépend de la longueur d'onde.

A une longueur d'onde donnée, la relation entre l'efficacité quantique et la sensibilité spectrale est la suivante (sur une échelle de 0 à 1)  :

QE_\lambda=\frac{R_\lambda}{\lambda}\times\frac{h c}{e}\approx\frac{R_\lambda}{\lambda} {\times} (1240\;{\rm W}\cdot {\rm nm/A})

Avec λ en nm, h étant la constante de Planck, c la vitesse de la lumière dans le vide, et e la charge élémentaire d'un électron.

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