양자 효율 – HiSoUR – 안녕하세요.

용어 양자 효율 (QE)은 감광 장치의 입사 광자 – 변환 전자 (IPCE) 비율에 적용되거나 자기 터널 접합의 TMR 효과를 나타낼 수 있습니다.

이 기사에서는 장치의 전기 감도를 측정하는 용어에 대해 설명합니다. 전하 결합 소자 (charge-coupled device, CCD)에서 이것은 전하 캐리어를 생성하는 소자의 광 반응 표면에 부딪히는 광자의 비율입니다. 이것은 광자 당 전자 또는 와트 당 암페어로 측정됩니다. 광자의 에너지는 파장에 반비례하기 때문에 QE는 종종 각 광자 에너지 수준에서 소자의 효율을 특성화하기 위해 다양한 파장의 범위에서 측정됩니다. 밴드 갭 이하의 에너지를 지닌 광자에 대한 QE는 0이다. 사진 필름은 일반적으로 10 % 미만의 QE를 가지지 만 CCD는 일부 파장에서 90 % 이상의 QE를 가질 수 있습니다.

태양 전지 중
태양 전지의 양자 효율 값은 특정 파장의 광자에 의해 조사 될 때 셀이 생성 할 전류량을 나타냅니다.셀의 양자 효율이 전체 태양 전자기 스펙트럼에 걸쳐 통합되면 햇빛에 노출되었을 때 셀이 생산할 전류량을 평가할 수 있습니다. 이 에너지 생성 값과 셀에 대한 가능한 가장 높은 에너지 생성 값 사이의 비율 (즉, QE가 전체 스펙트럼에 대해 100 % 인 경우)은 셀의 전체 에너지 변환 효율 값을 제공합니다.다중 엑시톤 생성 (MEG)의 경우, 100 %보다 큰 양자 효율이 달성 될 수 있는데, 그 이유는 광자가 2 배 이상의 밴드 갭 에너지를 가지며 입사 광자 당 2 개 이상의 전자 – 정공 쌍을 생성 할 수 있기 때문이다.

유형
태양 전지의 두 가지 유형의 양자 효율을 종종 고려합니다 :
외부 양자 효율 (External Quantum Efficiency, EQE)은 태양 전지에서 수집 한 전하 캐리어 수와 외부에서 태양 전지에 빛나는 주어진 에너지의 광자 수의 비율 (입사 광자)입니다.

내부 양자 효율 (IQE)은 태양 전지에서 수집 한 전하 캐리어 수와 외부에서 태양 전지로 빛나고 셀에 흡수 된 주어진 에너지의 광자 수의 비율입니다.

IQE는 항상 EQE보다 큽니다. 낮은 IQE는 태양 전지의 활성층이 광자를 잘 활용할 수 없음을 나타냅니다. IQE를 측정하기 위해 먼저 태양열 장치의 EQE를 측정 한 다음 전송 및 반사를 측정하고 이러한 데이터를 결합하여 IQE를 추론합니다.

{\ text {(현재)}} / {\ 텍스트 {초}}}} = {\ text {현미경} 텍스트 {(1 전자의 전하)}}} {({\ text {총 광자의 힘}} / ({\ 텍스트 {하나의 광자의 에너지}}}}}}

{\ text {EqE}} {\ text {1} {\ text {1} {\ text {1} -반사}}}}

그러므로 외부 양자 효율은 빛의 흡수와 전하의 수집에 달려있다. 일단 광자가 흡수되어 전자 – 홀 쌍을 생성하면, 이러한 전하는 접합부에서 분리되어 수집되어야한다. “좋은”물질은 전하 재조합을 피한다. 전하 재결합은 외부 양자 효율의 저하를 초래한다.

이상적인 양자 효율 그래프는 QE 값이 측정 된 전체 파장 스펙트럼에서 상당히 일정한 정사각형 모양을 갖습니다. 그러나 대부분의 태양 전지에 대한 QE는 전하 캐리어가 외부 회로로 이동할 수없는 재조합의 영향으로 인해 감소합니다. 수집 확률에 영향을주는 동일한 메커니즘이 QE에도 영향을줍니다.예를 들어, 전면을 수정하면 표면 근처에서 생성 된 캐리어에 영향을 줄 수 있습니다. 그리고 고 에너지 (청색) 빛이 표면 가까이에서 흡수되기 때문에 전면에서 상당한 재조합이 QE의 “청색”부분에 영향을 미칩니다. 유사하게, 낮은 에너지 (녹색) 빛은 태양 전지의 벌크에서 흡수되고, 낮은 확산 길이는 태양 전지 벌크로부터 수집 확률에 영향을 주어 스펙트럼의 녹색 부분에서 QE를 감소시킨다. 일반적으로 시장에 나와있는 태양 전지는 자외선 및 적외선 (각각 400 nm 미만 및 1100 nm 이상 파장)으로 전기를 생산하지 않습니다. 이러한 파장의 빛은 여과되거나 세포에 흡수되어 세포를 가열합니다. 그 열은 낭비되며 세포를 손상시킬 수 있습니다.
이미지 센서의 양자 효율 : 양자 효율 (QE)은 광 검출기 또는 픽셀의 광전류에 기여하는 광자 플럭스의 비율입니다. 양자 효율은 검출기의 품질을 평가하는 데 사용되는 가장 중요한 매개 변수 중 하나이며 파장 의존성을 반영하기 위해 종종 스펙트럼 응답이라고합니다. 이는 입사 광자 당 생성되는 신호 전자의 수로 정의됩니다. 경우에 따라 100 %를 초과 할 수 있습니다 (즉, 1 개의 광자 당 하나 이상의 전자가 생성 될 때).

EQE 매핑 : EQE의 기존 측정은 전체 장치의 효율성을 제공합니다. 그러나 장치의 넓은 영역에 걸쳐 EQE 맵을 갖는 것이 종종 유용합니다. 이 매핑은 샘플의 동질성 및 / 또는 결함을 시각화하는 효율적인 방법을 제공합니다. 그것은 하이퍼 스펙트 럴 이미 저 (hyperspectral imager)로 얻은 전자 발광 측정으로부터 EQE 매핑을 계산 한 IRDEP (Researcher and Development of Photovoltaic Energy) 연구소의 연구원들에 의해 실현되었습니다.

스펙트럼 감도
스펙트럼 응답도는 비슷한 측정이지만 단위가 다릅니다 : 와트 당 암페어 (A / W); (주어진 에너지 및 파장의 들어오는 광자 당 얼마나 많은 전류가 장치에서 나오는 지). 양자 효율과 감응도는 모두 광자의 파장의 함수입니다 (아래 첨자 λ로 표시).
감응도 (Rλ, A / W)에서 QEλ (눈금 0에서 1)로 변환하려면 다음을 수행하십시오.
$QE_ \ lambda = \ frac {R_ \ λ} {\ lambda} \ times \ frac {hc} {e} \ approx \ frac {R_ \ lambda} {\ times} (1240 \; {\ rm W } \ cdot {\ nm nm / A})$

여기서 λ는 nm 단위의 파장, h는 플랑크 상수, c는 진공 속의 빛의 속도, e는 기본 전하량입니다.

결심
$QE_ \ lambda = \ eta = \ frac {N_e} {N_ \ nu}$
어디에 $N_e$ = 생성 된 전자의 수, $N_ \ nu$ = 흡수 된 광자 수.
$\ frac {N_ \ nu} t = \ Phi_o \ frac {\ lambda} {hc}$
공 핍층에 흡수 된 각 광자가 실행 가능한 전자 – 홀 쌍을 생성하고 다른 모든 광자가 생성되지 않는다고 가정하면,
$\ frac {N_e} t = \ Phi _ {\ xi} \ frac {\ lambda} {hc}$
여기서 t 는 측정 시간 (초)이고, $\ Phi_o$ = 입사 광 전력 (와트) $\ Phi _ {\ xi}$ = 공 핍층에 흡수 된 광 전력, 와트 단위.

스펙트럼 감도
특히 와트 당 암페어 단위로 광 다이오드, 태양 전지 또는 광전지에 대해 측정 된 동일한 크기를 스펙트럼 응답 (SR)이라고합니다.
${\ displaystyle SR (\ lambda) = {\ frac {I} {P (\ lambda)}}$

어느 곳에 $P (\ lambda) = \ Phi _ {p} (\ lambda) h \ nu}$ 광 출력은 특정 파장에있다.
양자 효율과의 관계 ${\ displaystyle QE (\ lambda)$ :
$QE (\ lambda) = {\ frac {SR} \ {\ lambda}} \ cdot {\ frac {hc} {q}}}$

요인 ${\ displaystyle hc / q}$ ~이다. ${\ displaystyle 1 {,} 239842 \ cdot 10 ^ {- 6}}$ A / W 및 m의 파장에서의 분광 감도

측정 원리
양자 효율의 측정을 위해서는 (절대) 조사 광량 / 광자 수에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 이는 일반적으로 (보정 된) 비교 수신기의 알려진 양자 효율을 갖는 측정 장치에 의해 달성되며, ${\ displaystyle QE _ {\ mathrm {cal}}}$ , 교정되었습니다. 그런 다음 적용됩니다.
${\ displaystyle QE = QE _ {\ mathrm {cal}} \ cdot {\ frac {I _ {\ mathrm {mes}}} {나는 {\ mathrm {cal}}}}}$

어느 곳에 ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {mes}}}$ 테스트 셀에 대해 측정 된 전류 및 ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {cal}}}$ 비교 셀에 대해 측정 된 전류입니다.

측정 설정
조명을 위해, 광원 (크세논 및 / 또는 할로겐 램프) 및 파장 간격을 선택하기위한 모노 크로 메타가 필요하다. 적합한 모노 크로메이터는 필터 모노 크로 메터 또는 격자 모노 크로 메이터이다. 단색광은 시험 할 수신기 표면 상에 가능한 한 균질하게 통과된다.

신호의 측정은 종종 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 잠금 인 앰프로 수행됩니다. 이를 위해 광 신호는 광학 초퍼로 주기적으로 변조 (펄스 화)되어야합니다.

양자 효율 대 양자 수율
양자 유도 과정의 효율성을 제한하는 두 가지 요인이 있습니다.
실제로 적용되는 광자의 비율 (나머지는 다른 방식으로 흡수된다)
전송되는 광자 에너지의 비율 (다 광자 흡수는 제외하고 단 하나의 광자 만 포함됨) : 방출 된 광자의 에너지는 입사 광자보다 스톡스 시프트만큼 낮을 것이다.
실용적인 의미

양자 효율은 광 다이오드, 광전지의 광전지, 이미지 증폭기 및 광전자 배리어뿐만 아니라 인광 물질, 광섬유 레이저 및 기타 (광 펌핑) 고체 레이저의 특성화에 중요합니다.
광전지의 양자 효율은 50 % 이상의 값에 도달 할 수 있습니다. 현재 피크 값은 다음과 같습니다.

213 nm에서 Cs 2 Te : ~ 20 %
460 주위의 GaAsP … 540 nm : ~ 50 %
GaAs 약 550 … 720 nm : ~ 25 %
InP – InGaAsP가 1000 nm를 조금 넘는 경우 : ~ 1 %

단결정 포토 다이오드의 양자 효율은 90 %에 이른다. 단결정 실리콘 포토 다이오드는 900 nm 부근의 최적 수신 파장에서 약 0.5 A / W의 분광 감도를 달성합니다. 태양 전지는 대개이 값에 도달하지 않습니다.이 값은 다결정 또는 비정질이며 가시 광선 스펙트럼 (태양 광)에서 가능한 한 가장 넓은 범위로 효율이 최적화됩니다.
사용 된 용액에 크게 의존하는 2 ~ 42 %의 분석에 사용되는 형광 염료의 양자 수율이 있습니다. 염료 인 인도 카르 보시 아닌은 여기 파장 678 nm (적색)에서 28 %의 값을 가지며 703 nm에서 형광 최대 값을 갖는다.

조명 목적 (냉 음극 형광 램프 (CCFL), 형광 램프, 백색 LED)에 사용되는 형광체의 양자 효율은 서로 다른 출처에 따라 100 %에 가깝습니다. Henning Höppe에 따르면 253.65 nm (수은 증기 가스 방전) 및 450 nm (파란색 LED)의 여기 파장에서 70 ~ 90 %의 양자 효율이 있습니다.

양자 생산량은 광합성과 농작물의 생산성에도 영향을 미친다.