量子効率

用語量子効率（QE）は、入射光子対変換電子（IPCE）比、感光性デバイスに適用することができ、または磁気トンネル接合のTMR効果を指すことができる。

この記事では、光に対するデバイスの電気的感度の測定値として用語を扱います。 電荷結合素子（CCD）では、電荷キャリアを生成する光反応性表面に当たる光子の割合である。 これは、光子当たりの電子数またはワット当たりのアンペア数で測定されます。 光子のエネルギーはその波長に反比例するので、QEは、各光子エネルギーレベルでのデバイスの効率を特徴付けるために、異なる波長の範囲にわたって測定されることが多い。 バンドギャップ以下のエネルギーを有する光子のQEはゼロである。 写真フィルムは、典型的には10％未満のQEを有するが、CCDはいくつかの波長で90％を超えるQEを有することができる。

太陽電池のうち
太陽電池の量子効率値は、特定の波長の光子によって照射されたときに細胞が生成する電流の量を示す。 細胞の量子効率が太陽電磁スペクトル全体に亘って統合されている場合、太陽光に曝されたときに細胞が生成する電流の量を評価することができる。 このエネルギー生成値とセルに関する可能な限り高いエネルギー生成値との間の比（すなわち、QEが全スペクトルにわたって100％であった場合）は、セルの総合エネルギー変換効率値を与える。 多重励起子生成（MEG）の場合、入射光子が2倍以上のバンドギャップエネルギーを有し、入射光子当たり2つ以上の電子 – 正孔対を生成することができるので、100％を超える量子効率が達成され得ることに留意されたい。

タイプ
太陽電池の2つのタイプの量子効率がしばしば考慮される：
外部量子効率（EQE）は、外部から太陽電池に照射される所与のエネルギーの光子の数（入射光子）に対する太陽電池によって収集された電荷キャリアの数の比である。

内部量子効率（IQE）は、外部から太陽電池に当たって細胞に吸収される所与のエネルギーの光子の数に対する、太陽電池によって収集された電荷キャリアの数の比である。

IQEは常にEQEより大きい。 低いIQEは、太陽電池の活性層が光子をうまく利用できないことを示す。 IQEを測定するために、まず太陽光デバイスのEQEを測定し、その透過率および反射率を測定し、これらのデータを組み合わせてIQEを推測する。

したがって、外部量子効率は、光の吸収と電荷の収集の両方に依存する。 光子が吸収されて電子 – 正孔対を生成すると、これらの電荷は分離して接合部に集めなければならない。 「良好な」材料は電荷再結合を回避する。 電荷再結合は、外部量子効率の低下を引き起こす。

理想的な量子効率グラフは正方形であり、QE値は測定された波長のスペクトル全体にわたってかなり一定である。 しかし、ほとんどの太陽電池のQEは、電荷キャリアが外部回路に移動することができない再結合の影響により減少する。 収集確率に影響を及ぼすのと同じメカニズムがQEにも影響する。 例えば、表面を改質することは、表面近くに生成されたキャリヤに影響を及ぼす可能性がある。 そして、高エネルギー（青色）の光が表面に非常に近いところで吸収されるので、前面でのかなりの再結合はQEの「青色」部分に影響を与える。 同様に、より低いエネルギー（緑色）の光が太陽電池のバルクで吸収され、低い拡散長さは、太陽電池バルクからの収集確率に影響を与え、スペクトルの緑色部分のQEを減少させる。 一般に、現在市場にある太陽電池は、紫外線および赤外光（それぞれ<400nmおよび> 1100nm波長）から多くの電気を生成しない。 これらの光の波長は濾別されるか、またはセルによって吸収され、したがってセルを加熱する。 その熱は無駄なエネルギーであり、細胞を損傷する可能性があります。
イメージセンサの量子効率：量子効率（QE）は、光検出器またはピクセルにおける光電流に寄与する光子フラックスの割合である。 量子効率は、検出器の品質を評価するために使用される最も重要なパラメータの1つであり、波長依存性を反映するためにスペクトル応答と呼ばれることがよくあります。 それは、入射光子当たりに生成される信号電子の数として定義される。 場合によっては、100％を超えることもあります（つまり、入射光子あたり2つ以上の電子が生成される場合）。

EQEマッピング：EQEの従来の測定では、デバイス全体の効率が向上します。 しかし、EQEの地図を装置の広い領域に持たせることはしばしば有用である。 このマッピングは、試料中の均質性および/または欠陥を視覚化する効率的な方法を提供する。 これは、ハイパースペクトルイメージャでとられたエレクトロルミネッセンス測定からEQEマッピングを計算した光起電力エネルギー研究者（IRDEP）の研究者および研究所の研究者によって実現されました。

スペクトル応答性
スペクトル応答性は同様の測定値ですが、単位はワットあたりのアンペア（A / W）です。 （すなわち、所与のエネルギーおよび波長の入った光子当たり、デバイスからどれだけの電流が出るか）を決定する。 量子効率と応答性の両方は、光子の波長（下付き文字λで示される）の関数である。
応答性（Rλ、A / W）からQEλ（スケール0〜1）に変換するには：

λはnm単位の波長、hはプランク定数、cは真空中の光の速度、eは素電荷である。

決定

どこで  =生成された電子の数、  =吸収された光子の数。

空乏層に吸収された各光子が実行可能な電子 – 正孔対を生成し、他のすべての光子が生成しないと仮定すると、

ここで、 tは測定時間（秒）、  =入射光パワー（ワット）  =空乏層で吸収される光学的パワー、ワット単位。

スペクトル感度
とりわけ、ワット当たりのアンペアの単位でのフォトダイオード、太陽電池または光電陰極で測定された同じサイズは、スペクトル応答 （SR）と呼ばれる。

その中で  光出力は特定の波長である。
量子効率との関連  次のとおりです。

要因  は  A / Wおよび波長（m）における分光感度については、

測定原理
量子効率の測定のためには、（絶対）照射光パワー/光子数の正確な知識が必要である。 これは、通常、（較正された）比較受信機の既知の量子効率を有する測定デバイスによって達成され、  が較正される。 次に適用されます：

その中で  テストセルについて測定された電流と、  比較セルについて測定された電流である。

測定設定
照明には、波長間隔を選択するための光源（キセノンおよび/またはハロゲンランプ）およびモノクロメータが必要である。 適切なモノクロメータは、フィルタモノクロメータまたはラティスモノクロメータである。 単色光は、試験される受信機表面上にできるだけ均質に通される。

信号の測定は、しばしば信号対雑音比を改善するためにロックインアンプで行われます。 この目的のために、光信号は光チョッパで周期的に変調（パルス化）されなければならない。

量子効率対量子収量
量子誘起プロセスの効率を制限する2つの要因があります。
実際に効果を発揮する光子の割合（残りは別の方法で吸収される）
（多光子吸収とは別に、1つの光子のみが関与する）光子のエネルギーの割合は、入射光子のエネルギーよりもストークスシフトによって低くなる。
実用的意義

とりわけ、量子収率は、フォトダイオード、フォトセルの光電陰極、イメージインテンシファイアおよび光電子増倍管だけでなく、蛍光体、ファイバレーザおよび他の（光励起された）固体レーザの特性評価にとって重要である。
光電陰極の量子効率は、50％を超える値に達することができる。 現在のピーク値は次のとおりです。

213nmにおけるCs 2 Te：約20％
460nm付近のGaAsP … 540nm：〜50％
約550〜720nmのGaAs：〜25％
1000nmを少し上回るInP-InGaAsP：〜1％

単結晶フォトダイオードの量子効率は90％に達することができます。 単結晶シリコンフォトダイオードは、約900nmの最適受信波長で約0.5A / Wの分光感度を達成する。 太陽電池は、通常、この値に達しません。多結晶または非晶質であり、可視スペクトル範囲（太陽光）のできるだけ広い範囲で効率が最適化されます。
使用される溶液に強く依存する2〜42％の分析に使用される蛍光色素の量子収率がある。 色素インドカルボシアニンは、励起波長678nm（赤色）で28％の値を有し、703nmで蛍光極大値を有する。

照明目的（冷陰極蛍光ランプ（CCFL）、蛍光灯、白色LED）に使用される蛍光体の量子効率は、異なる光源によって100％に近い。 HenningHöppeによると、励起波長253.65nm（水銀蒸気放電）および450nm（青色LED）で70〜90％の量子収率がある。

量子収量はまた、光合成および農作物の生産性においても役割を果たす。