Der Begriff Quanteneffizienz (QE) kann für das Verhältnis von einfallenden Photonen zu umgewandelten Elektronen (IPCE) einer lichtempfindlichen Vorrichtung gelten oder er kann sich auf den TMR-Effekt einer magnetischen Tunnelverbindung beziehen.

Dieser Artikel behandelt den Begriff als Maß für die elektrische Lichtempfindlichkeit eines Geräts. In einem ladungsgekoppelten Bauelement (CCD) ist es der Prozentsatz von Photonen, die auf die photoreaktive Oberfläche des Bauelements treffen, die Ladungsträger erzeugen. Es wird in Elektronen pro Photon oder Ampere pro Watt gemessen. Da die Energie eines Photons umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge ist, wird QE oft über einen Bereich von verschiedenen Wellenlängen gemessen, um die Effizienz eines Bauelements bei jedem Photonenenergieniveau zu charakterisieren. Die QE für Photonen mit Energie unterhalb der Bandlücke ist Null. Ein fotografischer Film weist typischerweise eine QE von viel weniger als 10% auf, während CCDs bei einigen Wellenlängen eine QE von weit über 90% aufweisen können.

Von Solarzellen
Der Quanteneffizienzwert einer Solarzelle gibt die Stromstärke an, die die Zelle erzeugt, wenn sie mit Photonen einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird. Wenn die Quanteneffizienz der Zelle über das gesamte elektromagnetische Spektrum der Sonne integriert ist, kann man die Strommenge, die die Zelle bei Sonneneinstrahlung produziert, auswerten. Das Verhältnis zwischen diesem Energieproduktionswert und dem höchstmöglichen Energieproduktionswert für die Zelle (dh wenn der QE 100% über das gesamte Spektrum betrug) ergibt den Gesamtenergieumwandlungseffizienzwert der Zelle. Es sei angemerkt, dass im Fall der Erzeugung mehrerer Exzitonen (MEG) Quanteneffizienzen von mehr als 100% erreicht werden können, da die einfallenden Photonen mehr als die doppelte Bandlückenenergie aufweisen und zwei oder mehr Elektron-Loch-Paare pro einfallendem Photon erzeugen können.

Typen
Zwei Arten der Quanteneffizienz einer Solarzelle werden oft berücksichtigt:
Die externe Quanteneffizienz (External Quantum Efficiency, EQE) ist das Verhältnis der Anzahl der Ladungsträger, die von der Solarzelle gesammelt werden, zur Anzahl der Photonen einer gegebenen Energie, die von außen auf die Solarzelle einfällt (einfallende Photonen).

Die interne Quanteneffizienz (IQE) ist das Verhältnis der Anzahl der von der Solarzelle gesammelten Ladungsträger zur Anzahl der Photonen einer bestimmten Energie, die von außen auf die Solarzelle einstrahlen und von der Zelle absorbiert werden.

Die IQE ist immer größer als die EEP. Eine niedrige IQE zeigt an, dass die aktive Schicht der Solarzelle die Photonen nicht gut nutzen kann. Um die IQE zu messen, misst man zuerst die EQE des Solargerätes, misst dann dessen Transmission und Reflektion und kombiniert diese Daten, um die IQE abzuleiten.

Die externe Quanteneffizienz hängt daher sowohl von der Absorption von Licht als auch von der Sammlung von Ladungen ab. Sobald ein Photon absorbiert wurde und ein Elektron-Loch-Paar erzeugt hat, müssen diese Ladungen getrennt und an der Verbindungsstelle gesammelt werden. Ein „gutes“ Material vermeidet Ladungsrekombination. Ladungsrekombination verursacht einen Abfall der externen Quanteneffizienz.

Der ideale Quanteneffizienz-Graph hat eine quadratische Form, wobei der QE-Wert über das gesamte Spektrum der gemessenen Wellenlängen ziemlich konstant ist. Die QE für die meisten Solarzellen ist jedoch aufgrund der Rekombinationseffekte reduziert, bei denen Ladungsträger nicht in einen externen Schaltkreis eindringen können. Dieselben Mechanismen, die die Sammelwahrscheinlichkeit beeinflussen, beeinflussen auch die QE. Zum Beispiel kann das Modifizieren der vorderen Oberfläche Träger beeinflussen, die in der Nähe der Oberfläche erzeugt werden. Und weil hochenergetisches (blaues) Licht sehr nahe an der Oberfläche absorbiert wird, wird eine beträchtliche Rekombination an der vorderen Oberfläche den „blauen“ Teil des QE beeinflussen. In ähnlicher Weise wird Licht niedrigerer Energie (grün) in der Masse einer Solarzelle absorbiert, und eine geringe Diffusionslänge beeinflusst die Sammelwahrscheinlichkeit von der Masse der Solarzelle, wodurch die QE im grünen Teil des Spektrums reduziert wird. Im Allgemeinen erzeugen Solarzellen auf dem heutigen Markt nicht viel Elektrizität aus ultraviolettem und infrarotem Licht (Wellenlänge <400 nm bzw.> 1100 nm); Diese Lichtwellenlängen werden entweder herausgefiltert oder von der Zelle absorbiert, wodurch die Zelle erwärmt wird. Diese Wärme ist verschwendete Energie und könnte die Zelle beschädigen.
Quanteneffizienz von Bildsensoren: Die Quanteneffizienz (QE) ist der Anteil des Photonenflusses, der zum Photostrom in einem Photodetektor oder einem Pixel beiträgt. Die Quanteneffizienz ist einer der wichtigsten Parameter, der zur Bewertung der Qualität eines Detektors verwendet wird und wird häufig als Spektralantwort bezeichnet, um seine Wellenlängenabhängigkeit widerzuspiegeln. Es ist definiert als die Anzahl der Signalelektronen, die pro einfallendem Photon erzeugt werden. In einigen Fällen kann es 100% überschreiten (dh wenn pro einfallendes Photon mehr als ein Elektron erzeugt wird).

EQE-Mapping: Konventionelle Messungen der EQE ergeben die Effizienz des gesamten Geräts. Es ist jedoch oft nützlich, eine Karte der EEP über einen großen Bereich des Geräts zu haben. Diese Kartierung bietet eine effiziente Möglichkeit, die Homogenität und / oder die Defekte in der Probe zu visualisieren. Es wurde von Forschern des Instituts für Forscher und Entwicklung auf dem Gebiet der photovoltaischen Energie (IRDEP) realisiert, die das EQE-Mapping aus Elektrolumineszenzmessungen mit einem hyperspektralen Imager berechneten.

Spektrale Empfindlichkeit
Spektrale Empfindlichkeit ist eine ähnliche Messung, aber es hat unterschiedliche Einheiten: Ampere pro Watt (A / W); (dh wie viel Strom pro Photon einer gegebenen Energie und Wellenlänge aus dem Gerät kommt). Sowohl die Quanteneffizienz als auch die Empfindlichkeit sind Funktionen der Wellenlänge der Photonen (angezeigt durch den Index λ).
Um von der Ansprechempfindlichkeit (Rλ, in A / W) zu QEλ (auf einer Skala von 0 bis 1) zu konvertieren:

Dabei ist λ die Wellenlänge in nm, h ist die Planck-Konstante, c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und e ist die Elementarladung.

Entschlossenheit

woher  = Anzahl der produzierten Elektronen,  = Anzahl der absorbierten Photonen.

Unter der Annahme, dass jedes in der Verarmungsschicht absorbierte Photon ein lebensfähiges Elektron-Loch-Paar erzeugt, und alle anderen Photonen nicht,

wo t ist die Messzeit (in Sekunden),  = einfallende optische Leistung in Watt,  = optische Leistung absorbiert in der Verarmungsschicht, auch in Watt.

Spektrale Empfindlichkeit
Die gleiche Größe, gemessen unter anderem für Photodioden, Solarzellen oder Photokathoden in Ampere pro Watt, wird als spektrale Antwort (SR) bezeichnet:

in welchem  Die Lichtleistung liegt bei einer bestimmten Wellenlänge.
Die Verbindung mit der Quanteneffizienz  ist:

Der Faktor  ist  für eine spektrale Empfindlichkeit in A / W und Wellenlänge in m.

Messprinzip
Für die Messung der Quanteneffizienz ist die genaue Kenntnis der (absoluten) eingestrahlten Lichtleistung / Photonenzahl notwendig. Dies wird üblicherweise durch eine Messvorrichtung mit der bekannten Quanteneffizienz eines (kalibrierten) Vergleichsempfängers erreicht,  , ist kalibriert. Es gilt dann:

in welchem  der gemessene Strom für die Testzelle und  sind der Strom, der für die Vergleichszelle gemessen wird.

Messaufbau
Für die Beleuchtung sind eine Lichtquelle (Xenon- und / oder Halogenlampe) und ein Monochromator zur Auswahl von Wellenlängenintervallen notwendig. Geeignete Monochromatoren sind Filtermonochromatoren oder Gittermonochromatoren. Das monochromatische Licht wird so homogen wie möglich auf die zu testende Empfängeroberfläche geleitet.

Die Messung des Signals erfolgt häufig mit Lock-In-Verstärkern zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses; Zu diesem Zweck muss das Lichtsignal mit einem optischen Chopper periodisch moduliert (gepulst) werden.

Quanteneffizienz vs. Quantenausbeute
Es gibt zwei Faktoren, die einen quanteninduzierten Prozess in seiner Effizienz begrenzen:
die Rate der Photonen, die tatsächlich wirksam werden (der Rest wird auf andere Weise absorbiert)
der Anteil der Energie des übertragenen Photons (abgesehen von der Multiphotonenabsorption wird immer nur ein Photon beteiligt sein): Die Energie des emittierten Photons wird durch die Stokes-Verschiebung geringer sein als die des einfallenden Photons.
Praktische Bedeutung

Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von Photodioden, Fotokathoden von Fotozellen, Bildverstärkern und Photomultipliern, aber auch von Leuchtstoffen, Faserlasern und anderen (lichtgepumpten) Festkörperlasern wichtig.
Die Quanteneffizienz von Photokathoden kann Werte von über 50% erreichen. Aktuelle Spitzenwerte sind:

Cs 2 Te bei 213 nm: ~ 20%
GaAsP um die 460 … 540 nm: ~ 50%
GaAs um 550 … 720 nm: ~ 25%
InP – InGaAsP knapp über 1000 nm: ~ 1%

Die Quanteneffizienz von Einkristall-Photodioden kann 90% erreichen; monokristalline Silizium-Photodioden erreichen eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A / W bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm; Normalerweise erreichen Solarzellen diesen Wert nicht – sie sind polykristallin oder amorph und ihre Effizienz ist im sichtbaren Spektralbereich (Sonnenlicht) auf einen möglichst großen Bereich optimiert.
Es gibt Quantenausbeuten von Fluoreszenzfarbstoffen für die Analyse von 2 bis 42%, die stark von der verwendeten Lösung abhängen. Der Farbstoff Indocarbocyanin hat einen Wert von 28% bei einer Anregungswellenlänge von 678 nm (rot) und ein Fluoreszenzmaximum bei 703 nm.

Die Quanteneffizienz von Leuchtstoffen, die für Beleuchtungszwecke verwendet werden (Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL), Fluoreszenzlampen, weiße LEDs) liegt nach verschiedenen Quellen nahe bei 100%. Laut Henning Höppe gibt es Quantenausbeuten von 70 bis 90% bei Anregungswellenlängen von 253,65 nm (Quecksilberdampf-Gasentladung) und 450 nm (blaue LED).

Die Quantenausbeute spielt auch eine Rolle bei der Photosynthese und der Produktivität landwirtschaftlicher Nutzpflanzen.