La eficiencia cuántica es una medida de cuán eléctricamente fotosensible es un dispositivo fotosensible. Las superficies fotorreactivas utilizan la energía de los fotones entrantes para crear pares de electrones y huecos, en los que la energía del fotón aumenta el nivel de energía de un electrón y permite que el electrón salga de la banda de valencia, donde los electrones se unen a átomos individuales y entran en la banda de conducción. , donde puede moverse libremente a través de toda la red atómica del material. Cuanto mayor sea el porcentaje de fotones que producen un par electrón-agujero al chocar contra la superficie fotorreactiva, mayor será su eficiencia cuántica. La eficiencia cuántica es una característica importante de varias tecnologías modernas, sobre todo las células solares fotovoltaicas que se utilizan para generar electricidad, así como la película fotográfica y los dispositivos de carga acoplada.
La energía del fotón varía con la longitud de onda del fotón, y la eficiencia cuántica de un dispositivo puede variar para diferentes longitudes de onda de luz. Las diferentes configuraciones de materiales varían en la forma en que absorben y reflejan diferentes longitudes de onda, y este es un factor importante en las sustancias que se utilizan en diferentes dispositivos fotosensibles. El material más común para las células solares es el silicio cristalino, pero también existen células basadas en otras sustancias fotorreactivas, como el telururo de cadmio y el seleniuro de cobre, indio, galio. La película fotográfica utiliza bromuro de plata, cloruro de plata o yoduro de plata, ya sea solos o combinados.
Las eficiencias cuánticas más altas se producen mediante dispositivos de carga acoplada que se utilizan para fotografía digital e imágenes de alta resolución. Estos dispositivos recolectan fotones con una capa de silicio epitaxial dopado con boro, que crea cargas eléctricas que luego se trasladan a través de una serie de condensadores a un amplificador de carga. El amplificador de carga convierte las cargas en una serie de voltajes que pueden procesarse como una señal analógica o registrarse digitalmente. Los dispositivos de carga acoplada, que se utilizan a menudo en aplicaciones científicas como la astronomía y la biología que requieren una gran precisión y sensibilidad, pueden tener eficiencias cuánticas del 90 por ciento o más.
En las células solares, la eficiencia cuántica a veces se divide en dos medidas, la eficiencia cuántica externa y la eficiencia cuántica interna. La eficiencia externa es una medida del porcentaje de todos los fotones que chocan contra la célula solar y que producen un par electrón-hueco que la célula recoge con éxito. La eficiencia cuántica cuenta solo aquellos fotones que chocan contra la célula y que no fueron reflejados o transmitidos fuera de la célula. Una eficiencia interna deficiente indica que demasiados electrones que se habían elevado al nivel de conducción están perdiendo su energía y se unen nuevamente a un átomo en el nivel de valencia, un proceso llamado recombinación. Una eficiencia externa deficiente puede ser un reflejo de una eficiencia interna deficiente o puede significar que grandes cantidades de luz que llegan a la celda no están disponibles para su uso porque la celda la refleja o se deja pasar a través de ella.
Una vez que los electrones comienzan a moverse hacia la banda de conducción, el diseño de la celda solar controla la dirección de su movimiento para crear un flujo de electricidad de corriente continua. Como una mayor eficiencia cuántica significa que más electrones pueden ingresar a la banda de conducción y ser recolectados con éxito, una mayor eficiencia hace posible generar más energía. La mayoría de las células solares están diseñadas para maximizar la eficiencia cuántica en las longitudes de onda de la luz más comunes en la atmósfera de la Tierra, a saber, el espectro visible, aunque también se han desarrollado células solares especializadas para explotar la luz infrarroja o ultravioleta.