L’efficacité quantique est une mesure de la photosensibilité électrique d’un dispositif photosensible. Les surfaces photoréactives utilisent l’énergie des photons entrants pour créer des paires électron-trou, dans lesquelles l’énergie du photon augmente le niveau d’énergie d’un électron et permet à l’électron de quitter la bande de valence, où les électrons sont liés à des atomes individuels, et d’entrer dans la bande de conduction , où il peut se déplacer librement à travers tout le réseau atomique du matériau. Plus le pourcentage de photons qui produisent une paire électron-trou en frappant la surface photoréactive est élevé, plus son efficacité quantique est élevée. L’efficacité quantique est une caractéristique importante d’un certain nombre de technologies modernes, notamment les cellules solaires photovoltaïques utilisées pour produire de l’électricité, ainsi que les films photographiques et les dispositifs à couplage de charge.
L’énergie du photon varie avec la longueur d’onde du photon, et l’efficacité quantique d’un appareil peut varier pour différentes longueurs d’onde de la lumière. Différentes configurations de matériaux varient dans la façon dont ils absorbent et reflètent différentes longueurs d’onde, et c’est un facteur important dans les substances utilisées dans différents dispositifs photosensibles. Le matériau le plus courant pour les cellules solaires est le silicium cristallin, mais il existe également des cellules à base d’autres substances photoréactives, telles que le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre-indium-gallium. Le film photographique utilise du bromure d’argent, du chlorure d’argent ou de l’iodure d’argent, seuls ou en combinaison.
Les rendements quantiques les plus élevés sont produits par des dispositifs à couplage de charge utilisés pour la photographie numérique et l’imagerie haute résolution. Ces dispositifs collectent des photons avec une couche de silicium épitaxié dopé au bore, ce qui crée des charges électriques qui sont ensuite déplacées à travers une série de condensateurs vers un amplificateur de charge. L’amplificateur de charge convertit les charges en une série de tensions qui peuvent être traitées comme un signal analogique ou enregistrées numériquement. Les dispositifs à couplage de charge, qui sont souvent utilisés dans des applications scientifiques telles que l’astronomie et la biologie qui nécessitent une grande précision et sensibilité, peuvent avoir des efficacités quantiques de 90 % ou plus.
Dans les cellules solaires, l’efficacité quantique est parfois divisée en deux mesures, l’efficacité quantique externe et l’efficacité quantique interne. L’efficacité externe est une mesure du pourcentage de tous les photons frappant la cellule solaire qui produisent une paire électron-trou qui est collectée avec succès par la cellule. L’efficacité quantique ne compte que les photons frappant la cellule qui n’ont pas été réfléchis ou transmis hors de la cellule. Une faible efficacité interne indique que trop d’électrons qui avaient été élevés jusqu’au niveau de conduction perdent leur énergie et redeviennent attachés à un atome au niveau de valence, un processus appelé recombinaison. Une faible efficacité externe peut être le reflet d’une mauvaise efficacité interne ou peut signifier que de grandes quantités de lumière atteignant la cellule ne sont pas utilisables car elle est réfléchie par la cellule ou autorisée à la traverser.
Une fois que les électrons commencent à se déplacer dans la bande de conduction, la conception de la cellule solaire contrôle la direction de leur mouvement pour créer un flux d’électricité à courant continu. Comme une efficacité quantique plus élevée signifie que plus d’électrons peuvent entrer dans la bande de conduction et être collectés avec succès, une efficacité plus élevée permet de générer plus de puissance. La plupart des cellules solaires sont conçues pour maximiser l’efficacité quantique dans les longueurs d’onde de la lumière les plus courantes dans l’atmosphère terrestre, à savoir le spectre visible, bien que des cellules solaires spécialisées pour exploiter la lumière infrarouge ou ultraviolette aient également été développées.