Квантовая эффективность — HiSoUR История культуры

Термин квантовая эффективность (QE) может относиться к коэффициенту падающего фотона к преобразованному электрону (IPCE), светочувствительного устройства или может относиться к эффекту ПМР магнитного туннельного перехода.

В этой статье рассматривается термин «измерение электрической чувствительности устройства к свету». В устройстве с зарядовой связью (ПЗС) это процент фотонов, попадающих на фотореактивную поверхность устройства, которые создают носители заряда.Он измеряется электронами на фотон или усилители на ватт. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны, QE часто измеряется в диапазоне разных длин волн, чтобы характеризовать эффективность устройства на каждом уровне энергии фотонов.QE для фотонов с энергией ниже запрещенной зоны равен нулю. Фотопленка обычно имеет QE намного меньше 10%, тогда как ПЗС могут иметь QE более 90% на некоторых длинах волн.

Из солнечных элементов
Значение квантовой эффективности солнечной батареи указывает количество тока, которое ячейка будет производить при облучении фотонами определенной длины волны. Если квантовая эффективность ячейки интегрирована по всему солнечному электромагнитному спектру, можно оценить количество тока, которое будет производиться клеткой при воздействии солнечного света. Соотношение между этой величиной производства энергии и наивысшим возможным значением энергии для ячейки (т. Е. Если QE составляло 100% по всему спектру), дает общее значение эффективности преобразования энергии в ячейке.Заметим, что в случае множественного генерации экситонов (MEG) квантовая эффективность более 100% может быть достигнута, поскольку падающие фотоны имеют более чем вдвое большую ширину запрещенной зоны и могут создавать две или более пары электрон-дырок на падающий фотон.

Типы
Часто рассматриваются два типа квантовой эффективности солнечного элемента:
Внешняя квантовая эффективность (EQE) представляет собой отношение числа носителей заряда, собранных солнечным элементом, к числу фотонов данной энергии, сияющей на солнечном элементе снаружи (падающие фотоны).

Внутренняя квантовая эффективность (IQE) представляет собой отношение количества заряженных носителей, собранных солнечным элементом, к числу фотонов данной энергии, которые светятся на солнечной ячейке снаружи и поглощаются клеткой.

IQE всегда больше, чем EQE. Низкий IQE указывает, что активный слой солнечного элемента не может эффективно использовать фотоны. Для измерения IQE сначала измеряется EQE солнечного устройства, затем измеряется его передача и отражение и объединяется с этими данными для вывода IQE.

{\ displaystyle {\ text {EQE}} = {\ frac {\ text {electron / sec}} {\ text {photons / sec}}} = {\ frac {{\ text {(current)}} / {\ текст {(заряд одного электрона)}}} {{{текст {полная мощность фотонов}}) / ({\ text {энергия одного фотона}}}}}

{\ displaystyle {\ text {IQE}} = {\ frac {\ text {electron / sec}} {\ text {поглощенные фотоны / сек}}} = {\ frac {\ text {EQE}} {\ text {1 -отражение}}}}

Поэтому внешняя квантовая эффективность зависит как от поглощения света, так и от сбора зарядов. Как только фотон был поглощен и образовал электронно-дырочную пару, эти заряды должны быть разделены и собраны на стыке. «Хороший» материал избегает рекомбинации заряда. Рекомбинация заряда вызывает падение внешней квантовой эффективности.

Идеальный график квантовой эффективности имеет квадратную форму, где значение QE является довольно постоянным во всем измеренном спектре измеряемых длин волн. Однако QE для большинства солнечных элементов снижается из-за эффектов рекомбинации, когда носители заряда не могут перемещаться во внешнюю цепь. Те же механизмы, которые влияют на вероятность сбора, также влияют на QE. Например, изменение передней поверхности может повлиять на несущие, генерируемые вблизи поверхности. И поскольку высокоэнергетический (синий) свет поглощается очень близко к поверхности, значительная рекомбинация на передней поверхности будет влиять на «голубую» часть QE. Аналогично, более низкий энергетический (зеленый) свет поглощается в объеме солнечного элемента, а малая диффузионная длина будет влиять на вероятность сбора из массы солнечного элемента, уменьшая QE в зеленой части спектра. Как правило, солнечные элементы на рынке сегодня не производят много электричества из ультрафиолетового и инфракрасного света (<400 нм и> 1100 нм длины волн, соответственно); эти длины волн света либо отфильтровываются, либо поглощаются клеткой, таким образом нагревая ячейку. Это тепло теряется в энергии и может повредить клетку.
Квантовая эффективность датчиков изображения: квантовая эффективность (QE) — это доля потока фотонов, которая способствует фототоку в фотодетекторе или пикселе. Квантовая эффективность является одним из наиболее важных параметров, используемых для оценки качества детектора и часто называется спектральным откликом для отражения его зависимости от длины волны. Он определяется как количество электронов сигнала, созданных на падающий фотон. В некоторых случаях он может превышать 100% (т. Е. Когда на падающий фотон создается более одного электрона).

Картирование EQE: обычное измерение EQE даст эффективность всего устройства. Однако часто бывает полезно иметь карту EQE на большой площади устройства. Это сопоставление обеспечивает эффективный способ визуализации однородности и / или дефектов в образце.Исследователи из Института исследователей и разработки по фотогальванической энергии (ИРДЭП), которые вычислили EQE-изображение на основе измерений электролюминесценции, полученных с помощью гиперспектрального тепловизора,

Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность — это аналогичное измерение, но оно имеет разные единицы измерения: ампер на ватт (А / В); (т. е. сколько тока выходит из устройства на входящий фотон данной энергии и длины волны). Как квантовая эффективность, так и чувствительность являются функциями длины волны фотонов (обозначается индексом λ).
Для преобразования из чувствительности (Rλ, A / W) в QEλ (по шкале от 0 до 1):
$QE_ \ lambda = \ frac {R_ \ lambda} {\ lambda} \ times \ frac {hc} {e} \ approx \ frac {R_ \ lambda} {\ lambda} {\ times} (1240 \; {\ rm W } \ cdot {\ rm nm / A})$

где λ — длина волны в нм, h — постоянная Планка, c — скорость света в вакууме, e — элементарный заряд.

определение
$QE_ \ lambda = \ eta = \ frac {N_e} {N_ \ nu}$
где $N_e$ = количество произведенных электронов, $N_ \ ню$ = количество поглощенных фотонов.
$\ frac {N_ \ nu} t = \ Phi_o \ frac {\ lambda} {hc}$
Предполагая, что каждый фотон, поглощенный в слое истощения, создает жизнеспособную электронно-дырочную пару, а все остальные фотоны — нет,
$\ frac {N_e} t = \ Phi _ {\ xi} \ frac {\ lambda} {hc}$
где t — время измерения (в секундах), $\ Phi_o$ = падающая оптическая мощность в ваттах, $\ Phi _ {\ х}$ = оптическая мощность, поглощенная в слое истощения, также в ваттах.

Спектральная чувствительность
Такой же размер, измеряемый, в частности, для фотодиодов, солнечных элементов или фотокатодов в единицах ампера на ватт, называется спектральным ответом (SR):
${\ displaystyle SR (\ lambda) = {\ frac {I} {P (\ lambda)}}}$

в котором ${\ displaystyle P (\ lambda) = \ Phi _ {p} (\ lambda) h \ nu}$ выход света имеет определенную длину волны.
Связь с квантовой эффективностью ${\ displaystyle QE (\ lambda)}$ является:
${\ displaystyle QE (\ lambda) = {\ frac {SR (\ lambda)} {\ lambda}} \ cdot {\ frac {hc} {q}}}$

Фактор ${\ displaystyle hc / q}$ является ${\ displaystyle 1 {,} 239842 \ cdot 10 ^ {- 6}}$ для спектральной чувствительности в A / W и длины волны в м.

Принцип измерения
Для измерения квантовой эффективности необходимо точное знание (абсолютного) облученного количества света / фотона. Обычно это достигается с помощью измерительного устройства, имеющего известную квантовую эффективность (калиброванного) приемника сравнения, ${\ displaystyle QE _ {\ mathrm {cal}}}$ , калибруется. Затем оно применяется:
${\ displaystyle QE = QE _ {\ mathrm {cal}} \ cdot {\ frac {I _ {\ mathrm {mes}}} {I _ {\ mathrm {cal}}}}}$

в котором ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {mes}}}$ ток, измеренный для испытательной ячейки и ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {cal}}}$ — это ток, измеренный для сравнительной ячейки.

Настройка измерения
Для освещения необходим источник света (ксенон и / или галогенная лампа) и монохроматор для выбора интервалов длины волны. Подходящими монохроматорами являются фильтрующие монохроматоры или решетчатые монохроматоры. Монохроматический свет пропускается как можно более однородно на тестируемой поверхности приемника.

Измерение сигнала часто выполняется с помощью блокирующих усилителей для улучшения отношения сигнал / шум; Для этой цели световой сигнал должен периодически модулироваться (пульсировать) с помощью оптического прерывателя.

Квантовая эффективность против квантового выхода
Существует два фактора, которые ограничивают квантово-индуцированный процесс в его эффективности:
скорость фотонов, которая фактически вступает в силу (остальное поглощается по-другому)
пропорция энергии передаваемого фотона (помимо многофотонного поглощения будет задействован только один фотон): энергия испускаемого фотона будет меньше сдвигом Стокса, чем энергия падающего фотона.
Практическое значение

Среди прочего, квантовый выход важен для характеристики фотодиодов, фотокатодов фотоэлементов, усилителей изображения и фотоумножителей, а также люминофоров, волоконных лазеров и других (светонасыщенных) твердотельных лазеров.
Квантовая эффективность фотокатодов может достигать значений более 50%. Текущие пиковые значения:

Cs 2 Te при 213 нм: ~ 20%
GaAsP вокруг 460 … 540 нм: ~ 50%
GaAs около 550 … 720 нм: ~ 25%
InP — InGaAsP чуть более 1000 нм: ~ 1%

Квантовая эффективность монокристаллических фотодиодов может достигать 90%;монокристаллические кремниевые фотодиоды достигают спектральной чувствительности около 0,5 А / Вт при оптимальной длине волны приема около 900 нм; Солнечные элементы обычно не достигают этого значения — они являются поликристаллическими или аморфными, и их эффективность оптимизирована до максимально возможного диапазона в видимом спектральном диапазоне (солнечный свет).
Существуют квантовые выходы флуоресцентных красителей, используемых для анализа от 2 до 42%, которые сильно зависят от используемого раствора. Индокарбоцианин красителя имеет значение 28% при длине волны возбуждения 678 нм (красный) и максимуме флуоресценции при 703 нм.

Квантовая эффективность люминофоров, используемых для освещения (флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL), люминесцентные лампы, белые светодиоды) близка к 100% в зависимости от разных источников. По словам Хеннинга Хёппе, квантовые выходы от 70 до 90% при длинах волн возбуждения 253,65 нм (ртутный газовый разряд) и 450 нм (синий светодиод).

Квантовый выход также играет роль в фотосинтезе и урожайности сельскохозяйственных культур.