Hiệu suất lượng tử là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Tóm tắt

Bài viết này tập trung giải thích khái niệm “hiệu suất lượng tử” (Quantum Efficiency – QE) – một chỉ số then chốt trong vật lý và kỹ thuật quang điện. QE thể hiện hiệu quả chuyển đổi photon thành điện tích, là cơ sở đánh giá năng lực hoạt động của cảm biến hình ảnh, pin mặt trời, và các thiết bị quang học. Bài viết phân tích chi tiết các loại QE, phương pháp đo lường, công thức liên quan và vai trò của QE trong thiết kế thiết bị bán dẫn hiện đại.

Hiệu suất lượng tử – khái niệm tổng quát

Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency – QE) đo lường khả năng của một vật liệu hoặc thiết bị trong việc chuyển đổi photon ánh sáng thành electron tự do. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa số lượng cặp electron–lỗ trống được sinh ra và số lượng photon tới tại một bước sóng cụ thể:

$QE(\lambda) = \frac{\text{Số electron được tạo ra}}{\text{Số photon tới tại bước sóng } \lambda}$

Chỉ số QE dao động từ 0 đến 1 (hoặc 0% đến 100%), phản ánh mức độ hiệu quả của thiết bị trong việc thu nhận và chuyển đổi ánh sáng. Một số thiết bị hiện đại, với cấu trúc khuếch đại bên trong, có thể đạt QE vượt 100% thông qua các cơ chế như tăng cường carrier hoặc hiệu ứng đa exciton.

Ví dụ đơn giản: Nếu một photodetector nhận được 1000 photon tại bước sóng 500 nm và tạo ra 600 electron, thì QE tại bước sóng này là 60%. Việc xác định QE theo bước sóng là rất quan trọng vì đặc tính hấp thụ photon phụ thuộc mạnh vào phổ ánh sáng.

Phân biệt EQE và IQE

Trong thực tế, hiệu suất lượng tử được chia làm hai loại: EQE (External Quantum Efficiency) và IQE (Internal Quantum Efficiency). Sự phân biệt này phản ánh các nguồn tổn thất khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể.

EQE tính toán toàn bộ quá trình từ photon tới đến dòng electron tạo ra bên ngoài thiết bị. Nó bao gồm cả tổn thất do phản xạ bề mặt, truyền qua vật liệu, hoặc tán xạ. Công thức:

$EQE = \frac{\text{Số electron thu được}}{\text{Số photon chiếu tới}}$

IQE chỉ xét đến photon đã thực sự bị hấp thụ trong vùng hoạt động của thiết bị, do đó loại bỏ các tổn thất do phản xạ hay truyền qua:

$IQE = \frac{\text{Số electron thu được}}{\text{Số photon bị hấp thụ}}$

Sự khác biệt giữa EQE và IQE rất quan trọng trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn và tối ưu hóa cấu trúc thiết bị quang điện.

• EQE phản ánh hiệu suất tổng thể.
• IQE phản ánh hiệu suất nội tại của vật liệu và thiết kế cấu trúc bên trong.

Công thức tính và quan hệ với đáp ứng quang phổ

Trong kỹ thuật, QE thường được liên hệ trực tiếp với đáp ứng quang phổ (Spectral Response – SR) thông qua công thức:

$QE(\lambda) = SR(\lambda) \cdot \frac{hc}{q\lambda}$

Trong đó:

• $SR(\lambda)$ là dòng điện sinh ra trên mỗi đơn vị công suất ánh sáng tại bước sóng $\lambda$.
• $h$ là hằng số Planck (6.626×10⁻³⁴ J·s),
• $c$ là vận tốc ánh sáng trong chân không (3×10⁸ m/s),
• $q$ là điện tích của electron (1.602×10⁻¹⁹ C),
• $\lambda$ là bước sóng ánh sáng (mét).

Bảng dưới đây minh họa mối liên hệ giữa QE và SR với các bước sóng khác nhau:

Bước sóng (nm)	SR (A/W)	QE (%)
400	0.15	46.8
550	0.25	70.5
700	0.35	87.5

Dữ liệu này có thể dùng để đánh giá dải phổ hoạt động hiệu quả của cảm biến hoặc tế bào quang điện. Các nhà sản xuất thường công bố đồ thị QE(λ) để mô tả độ nhạy của thiết bị theo bước sóng.

Đo lường QE trong thực tế

Để xác định QE thực nghiệm, các nhà nghiên cứu sử dụng một nguồn sáng đơn sắc (monochromator) kết hợp với một hệ thống đo dòng điện đầu ra của thiết bị. Thông thường, thiết bị cần được hiệu chuẩn với một nguồn sáng có phổ đã biết.

Ví dụ, trong cảm biến CCD (Charge-Coupled Device), QE có thể thay đổi mạnh theo bước sóng do độ sâu hấp thụ của photon khác nhau. Cảm biến CCD tiêu chuẩn có QE khoảng 40–60% ở vùng khả kiến. Tuy nhiên, các cảm biến thiết kế đặc biệt như “back-illuminated CCD” có thể đạt QE >90% do loại bỏ lớp cổng che phía trước.

• CCD tiêu chuẩn: QE ≈ 45–60%
• Back-illuminated CCD: QE ≈ 80–95%

Quá trình đo cần lưu ý đến các yếu tố sau:

1. Phổ và cường độ của nguồn sáng.
2. Góc tới và hệ số phản xạ bề mặt.
3. Hiệu chuẩn thiết bị đo dòng điện.

Ở cấp độ công nghiệp, các hệ thống đo QE tự động dùng laser điều chỉnh bước sóng, thiết bị chuẩn quốc tế (reference diode) và phần mềm tính toán để vẽ đồ thị QE theo bước sóng đầu vào.

Ứng dụng trong pin mặt trời

Trong công nghệ pin mặt trời, hiệu suất lượng tử là một chỉ số nền tảng dùng để đánh giá khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Mỗi photon ánh sáng mang năng lượng, nếu bị hấp thụ thành công và giải phóng một cặp electron–hole, sẽ đóng góp vào dòng điện tạo ra từ tế bào quang điện.

EQE của pin mặt trời mô tả tỷ lệ giữa số electron sinh ra và số photon chiếu tới bề mặt tế bào. Đây là chỉ số đo “đầu ra” thực tế của pin dưới phổ sáng cụ thể. Trong khi đó, IQE cho biết hiệu quả chuyển đổi photon đã hấp thụ – phản ánh chất lượng vật liệu bán dẫn và thiết kế lớp tiếp xúc.

Biểu đồ EQE theo bước sóng giúp các nhà nghiên cứu:

• Phân tích phổ hấp thụ của vật liệu quang điện.
• Xác định bước sóng mà tế bào hoạt động hiệu quả nhất.
• Phát hiện vùng tổn thất do tái tổ hợp hoặc phản xạ.

Ví dụ, với tế bào silicon đơn tinh thể, EQE thường đạt đỉnh khoảng 600–800 nm nhưng giảm mạnh dưới 400 nm do hấp thụ nông và phản xạ bề mặt. Việc cải thiện lớp chống phản xạ và tối ưu lớp tiếp xúc có thể nâng cao EQE đáng kể.

Giới hạn lý thuyết – Shockley–Queisser

Hiệu suất năng lượng cực đại của một tế bào quang điện bán dẫn đơn lớp được giới hạn bởi lý thuyết Shockley–Queisser, trong đó giả định rằng mỗi photon chỉ sinh ra một cặp electron–hole và tất cả quá trình tái tổ hợp là cân bằng nhiệt động lực học.

Giới hạn này, với silicon có bandgap khoảng 1.1 eV, là ~33.7%. Lý do chủ yếu là:

• Photon năng lượng thấp hơn bandgap không bị hấp thụ.
• Photon năng lượng cao hơn bandgap sẽ mất phần dư năng lượng dưới dạng nhiệt (thermalization loss).

Các phương pháp để vượt giới hạn Shockley–Queisser bao gồm:

• Multi-junction solar cells (tế bào đa tiếp giáp).
• Photon upconversion/downconversion.
• Multiple exciton generation (MEG): sinh ra nhiều hơn 1 cặp electron–hole từ một photon duy nhất.

Ví dụ, các vật liệu như PbSe quantum dots đã cho thấy khả năng sinh 2–3 exciton từ photon năng lượng cao, cho QE nội >100%, mở ra hướng phát triển các tế bào quang điện hiệu suất vượt chuẩn.

Nâng cao hiệu suất – vật liệu và cấu trúc mới

Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải tiến vật liệu và kiến trúc thiết bị nhằm tăng QE, nhất là ở các vùng phổ có hiệu suất kém. Trong cảm biến và pin mặt trời, cấu trúc nanostructure và vật liệu bán dẫn thế hệ mới là chìa khóa.

Ví dụ về các kỹ thuật cải tiến QE:

1. Back-illuminated architecture: di chuyển lớp kim loại và gate ra phía sau giúp giảm hấp thụ không hiệu quả.
2. Nanostructure surface: các cột nano hoặc lớp mỏng có thể bẫy ánh sáng, tăng khả năng hấp thụ và giảm phản xạ.
3. Quantum wells/dots: thiết kế đa lớp với bandgap tùy chỉnh để hấp thụ phổ rộng hơn.

Một nghiên cứu năm 2022 từ Đại học Stanford đã chế tạo cảm biến photodiode với lớp phủ silicon nano được xử lý plasma, đạt QE >130% trong dải UV (300–400 nm) nhờ tăng cường hiệu ứng impact ionization.

Cấu trúc	Bước sóng tối ưu	QE đạt được
Silicon phẳng	550–800 nm	~60%
Si với nano cột	350–650 nm	~95%
Quantum dot PbSe	900–1200 nm	>100%

Ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và hình ảnh

Trong công nghệ hình ảnh, đặc biệt là thiết bị như máy ảnh kỹ thuật số, cảm biến thiên văn, và kính hiển vi, QE quyết định độ nhạy sáng của cảm biến. Cảm biến CCD/CMOS có QE cao sẽ tạo ra ảnh rõ hơn với ít nhiễu hơn, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu.

Ví dụ:

• CMOS tiêu chuẩn: QE ~40–60% ở vùng khả kiến.
• CCD back-thinned: QE >90%, đặc biệt dùng trong thiên văn học.

Các hãng sản xuất như Hamamatsu và Teledyne Imaging công bố dữ liệu QE theo bước sóng cho từng dòng cảm biến. Dựa trên các biểu đồ này, kỹ sư có thể chọn cảm biến phù hợp với dải phổ của ứng dụng như ảnh nhiệt, chụp UV hay phân tích huỳnh quang.

Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến QE

QE không phải chỉ do vật liệu bán dẫn quyết định, mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố vật lý khác trong thiết kế thiết bị quang điện. Các yếu tố chính ảnh hưởng gồm:

• Hệ số phản xạ (reflection loss).
• Độ dày lớp hoạt động (active layer thickness).
• Chiều dài khuếch tán carrier (diffusion length).
• Tốc độ tái tổ hợp carrier (recombination rate).

Giảm phản xạ được thực hiện bằng cách phủ lớp chống phản xạ (AR coating) hoặc tạo cấu trúc bề mặt nano. Tái tổ hợp có thể được hạn chế bằng cách tối ưu nồng độ tạp chất, giảm khuyết tật và cải thiện kết nối điện giữa các lớp vật liệu.

Phương pháp đo và kỹ thuật kiểm định

Để đo QE, thiết bị đo cần cung cấp ánh sáng đơn sắc và đồng đều, đo dòng điện sinh ra, đồng thời loại trừ ảnh hưởng của nhiễu và sai số hệ thống. Các thiết bị đo QE chuyên nghiệp gồm:

• Monochromator điều chỉnh bước sóng.
• Photodetector chuẩn để hiệu chuẩn công suất ánh sáng.
• Hệ thống khóa pha hoặc lọc nhiễu để đo dòng điện thấp.

Quy trình đo thường bao gồm:

1. Chiếu sáng thiết bị với bước sóng xác định.
2. Đo dòng điện sinh ra (I).
3. Tính công suất ánh sáng tới (P).
4. Tính SR = I / P và từ đó suy ra QE theo công thức:

$QE(\lambda) = \frac{SR(\lambda) \cdot hc}{q\lambda}$

Kỹ thuật so sánh giữa EQE và IQE bằng cách đo thêm hệ số phản xạ (R) và truyền qua (T) để ước tính tỷ lệ hấp thụ thực sự:

$IQE = \frac{EQE}{1 - R - T}$

Kết luận và xu hướng tương lai

Hiệu suất lượng tử là một chỉ số quan trọng bậc nhất trong đánh giá hiệu quả của mọi thiết bị quang–điện. Trong các lĩnh vực từ điện mặt trời đến chụp ảnh y sinh, QE không chỉ là thước đo kỹ thuật mà còn là mục tiêu tối ưu hóa trong thiết kế công nghệ.

Xu hướng tương lai tập trung vào:

• Phát triển vật liệu như perovskite, chalcogenide, graphene.
• Thiết kế thiết bị 3D, đa lớp, cấu trúc siêu mỏng.
• Áp dụng machine learning để điều chỉnh cấu trúc theo phổ QE mục tiêu.

Với tiến bộ khoa học vật liệu và công nghệ nanofabrication, QE có thể được nâng lên những giới hạn mới – không chỉ phản ánh hiệu quả ánh sáng, mà còn là động lực cho cả ngành công nghiệp quang điện toàn cầu.