量子效率/光谱响应/IPCE量测技术①:如何计算量子效率?

发表时间:2021-11-09      点击次数:6299

目录索引

  1. 内容

  2. 什么是量子效率(Quantum Efficiency)?

  3. 量子效率如何计算?

  4. 什么是外部量子效率?

  5. 什么是内部量子效率?

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什么是量子效率(Quantum Efficiency)?


  在说明什么是量子效率(Quantum Efficiency)之前,我们先了解光谱响应。


  光谱响应 (Spectral Responsivity, SR) 是评价光辐射侦测组件(如光侦测器、亮度计、太阳能电池等等)光电转换能力的指标,也就是入射光子-电子转换的效率(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)。例如,太阳能电池也是将光转换为电能的一种光电组件,所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标。


  光谱响应 SR(λ) 可写为:

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      其中,P(λ) 为各波长入射光能量,以瓦特(Watt)为单位;I(λ) 为太阳能电池收到入射光后转换成的电流,以安培(Amp)为单位。其物里意义为:太阳能电池接收一瓦特的光能可产生多少安培电流的能力。


  光谱响应 亦可称为量子效率(Quantum Efficiency, QE)或 IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子-电子转换效率)。将波长 的入射光能量转换成光子数目,而电池产生、传递到外部电路的电流换算成电子数,则光谱响应可代表每一入射的光子能够转换成传输到外部电路的电子的能力,称为量子效率(Quantum Efficiency, QE),单位以百分比来表示。这也可称为入射光子-电子转换效率 IPCE。


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图1 太阳能电池量子效率/光谱响应/ IPCE原理示意图。


量子效率如何计算?


  光谱响应 SR(λ) 与量子效率 QE(λ) 的换算可写成下式:

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  其中,为电子电量、为谱郎克常数 、为光子频率、为入射光波长(以 nm为单位)。改写上式即可得外部量子效率公式:


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图2 光谱响应与量子效率的转换。


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图2-1 外部量子效率EQE (External Quantum Efficiency)与内部量子效率IQE (Internal Quantum Efficiency)的定义与说明。


什么是外部量子效率?


  将光谱响应Amp/Watt单位,将安培Amp换算成单位时间电子数(electron/sec)、瓦特Watt换算成单位时间光子数(Photons/sec),带入上述公式得到的量子效率称为外部量子效率(EQE, External Quantum Efficiency)。


  一般而言量子效率QE指的就是外部量子效率EQE,也称作入射光子-电子转换效率IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficinecy)。


QE=EQE=IPCE


  外部量子效率EQE计算的是总入射光子数所产生的电子数。以图2-1为例,假设总共有10个光子入射太阳能电池,在太阳能电池表面有2个光子被反射,最终有6个电荷产生。那么根据定义,这个太阳能电池的外部量子效率


EQE = 产生电荷数 / 总入射光子数 = 6 / 10 = 60%


什么是内部量子效率?


  内部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)也是计算光子-电子的转换效率。与外部量子效率EQE不同的是,其计算的是真正入射到太阳能电池内部的光子数,以及其所产生的电子数。以图2-1为例,假设总共有10个光子入射太阳能电池,在太阳能电池表面有2个光子被反射。那么真正进到电池材料内部的光子数是(10-2)= 8个光子而产生6个电子。那么此电池的内部量子效率


IQE=产生电荷数 / 入射到材料内部的光子数= 6 / (10-2) = 75%。


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QE-R 量子效率系统



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