量子效率

术语量子效率(Quantum efficiency, QE)可以应用于光敏器件的入射光子与转换电子(IPCE)比,或者它可以指磁隧道结的TMR效应。

本文将术语作为器件对光的电敏感度的测量。 在电荷耦合器件(CCD)中,光子撞击器件的光反应表面产生电荷载流子的百分比。 它以每光子电子或每瓦安培数来衡量。 由于光子的能量与其波长成反比,因此通常在一系列不同波长上测量QE,以表征器件在每个光子能级上的效率。 能带低于带隙的光子的QE为零。 摄影胶片的QE通常远低于10%,而CCD在某些波长下的QE可能超过90%。

太阳能电池
太阳能电池的量子效率值表示当被特定波长的光子照射时电池将产生的电流量。 如果细胞的量子效率在整个太阳电磁波谱上积分,则可以评估细胞暴露在阳光下时产生的电流量。 该能量产生值与电池的最高可能产能值之间的比率(即,如果QE在整个频谱上为100%)给出电池的总能量转换效率值。 注意,在多激子产生(MEG)的情况下,可以实现大于100%的量子效率,因为入射光子具有两倍以上的带隙能量并且可以为每个入射光子产生两个或更多个电子 – 空穴对。

类型
通常考虑两种类型的太阳能电池的量子效率:
外部量子效率(EQE)是太阳能电池收集的电荷载流子数与从外部照射在太阳能电池上的给定能量的光子数(入射光子)之比。

内部量子效率(IQE)是太阳能电池收集的载流子数量与从外部照射在太阳能电池上并被电池吸收的给定能量的光子数量之比。

IQE总是大于EQE。 低IQE表明太阳能电池的有源层不能充分利用光子。 为了测量IQE,首先测量太阳能装置的EQE,然后测量其透射和反射,并组合这些数据以推断IQE。

因此,外部量子效率取决于光的吸收和电荷的收集。 一旦光子被吸收并产生电子 – 空穴对,就必须在结处分离和收集这些电荷。 “良好”材料避免了电荷重组。 电荷重组导致外部量子效率下降。

理想的量子效率图具有方形形状,其中QE值在所测量的整个波长范围内相当恒定。 然而,由于重组的影响,大多数太阳能电池的QE降低,其中电荷载流子不能移动到外部电路中。 影响收集概率的相同机制也会影响QE。 例如,修改前表面可以影响在表面附近产生的载流子。 并且因为高能(蓝色)光非常靠近表面被吸收,所以前表面的相当大的复合将影响QE的“蓝色”部分。 类似地,较低能量(绿色)光在太阳能电池的主体中被吸收,并且低扩散长度将影响来自太阳能电池本体的收集概率,从而降低光谱的绿色部分中的QE。 通常,目前市场上的太阳能电池不会从紫外线和红外线(分别<400nm和> 1100nm波长)产生大量电力; 这些波长的光被滤出或被细胞吸收,从而加热细胞。 这种热量会浪费能量,并可能损坏细胞。
图像传感器的量子效率:量子效率(QE)是光子通量的一部分,它有助于光电探测器或像素中的光电流。 量子效率是用于评估探测器质量的最重要参数之一,通常称为光谱响应以反映其波长依赖性。 它被定义为每个入射光子产生的信号电子数。 在某些情况下,它可能超过100%(即每个入射光子产生一个以上的电子)。

EQE映射:EQE的常规测量将提供整个设备的效率。 然而,在设备的大面积上具有EQE的映射通常是有用的。 该映射提供了一种有效的方法来可视化样品中的均匀性和/或缺陷。 它是由光伏能源研究与发展研究所(IRDEP)的研究人员实现的,他们使用高光谱成像仪计算了电致发光测量的EQE图。

光谱响应度
光谱响应度是一种类似的测量,但它有不同的单位:安培每瓦(A / W); (即,对于给定能量和波长的每个入射光子,设备会产生多少电流)。 量子效率和响应度都是光子波长的函数(由下标λ表示)。
要将响应度(Rλ,在A / W中)转换为QEλ(在0到1的范围内):

其中λ是以nm为单位的波长,h是普朗克常数,c是真空中的光速,e是基本电荷。

公式

其中  =产生的电子数,  =吸收的光子数。

假设在耗尽层中吸收的每个光子产生可行的电子 – 空穴对,而所有其他光子都没有,

其中t是测量时间(以秒为单位),  =以瓦为单位的入射光功率,  =耗尽层吸收的光功率,也以瓦特为单位。

光谱灵敏度
对光电二极管,太阳能电池或光电阴极(以每安培每瓦为单位)测量的相同尺寸称为光谱响应(SR):

其中  光输出处于特定波长。
与量子效率的联系  是:

因素  是  对于A / W的光谱灵敏度和m的波长。

测量原理
为了测量量子效率,必须准确了解(绝对)照射的光功率/光子数。 这通常通过具有(校准的)比较接收器的已知量子效率的测量装置来实现,  ,经过校准。 然后适用:

其中  为测试电池测量的电流和  是比较电池的电流测量值。

测量设置
对于照明,需要光源(氙和/或卤素灯)和用于选择波长间隔的单色器。 合适的单色器是过滤器单色器或晶格单色器。 单色光尽可能均匀地通过待测试的接收器表面。

信号的测量通常使用锁相放大器来完成,以提高信噪比; 为此,必须用光学斩波器周期性地调制(脉冲)光信号。

量子效率与量子产率
有两个因素会限制量子诱导过程的效率:
实际生效的光子速率(其余部分以另一种方式吸收)
被转移的光子能量的比例(除了多光子吸收之外,将只涉及一个光子):发射光子的能量将比入射光子的斯托克斯位移低。
实际意义

除其他外,量子产率对于光电二极管,光电池的光电阴极,图像增强器和光电倍增管的表征以及磷光体,光纤激光器和其他(光泵浦)固态激光器的表征是重要的。
光电阴极的量子效率可达到50%以上。 目前的峰值是:

在213 nm处的Cs 2 Te:~20%
GaAsP在460 … 540 nm附近:~50%
GaAs约550 … 720 nm:~25%
InP – InGaAsP刚超过1000 nm:~1%

单晶光电二极管的量子效率可达90%; 单晶硅光电二极管在900nm附近的最佳接收波长下实现约0.5A / W的光谱灵敏度; 太阳能电池通常不会达到这个值 – 它们是多晶的或无定形的,并且它们的效率在可见光谱范围(阳光)的最宽范围内被优化。
荧光染料的量子产率用于2至42%的分析,这很大程度上取决于所用的溶液。 染料吲哚菁在激发波长为678nm(红色)时具有28%的值,在703nm具有最大荧光。

根据不同的来源,用于照明目的的荧光粉(冷阴极荧光灯(CCFL),荧光灯,白光LED)的量子效率接近100%。 HenningHöppe表示,在253.65 nm(汞蒸气排放)和450 nm(蓝色LED)的激发波长下,量子产率为70%至90%。

量子产量也在农业作物的光合作用和生产力中起作用。