量子效率(Quantum efficiency)原理介绍

量子效率(Quantum Efficiency)原理介绍
原文连结：https://enlitechnology.com/blog/qe/quantum-efficiency-01/

*关于 Enlitech
Enlitech 成立于 2009 年 3 月。
核心技术包括人造光源和光谱分析技术。Enlitech 的四大主要产品市场包括图像传感器测试解决方案、先进光电探测器测试系统、量子效率测试解决方案和各种光模拟器。
我们的热门产品有QER 和 SS-X 太阳光模拟器，有兴趣欢迎至官网深入了解!
https://enlitechnology.com/zh-hans/

1. Enli Technology Co. Ltd. September 29, 2021 1 量子效率 (Quantum Efficiency) 原理介绍

2. 2 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。 光谱回应 （ 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： 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。

3. 3 光谱回应 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 。 图 1 太阳能电池量子效率 / 光谱响应 / IPCE 原理示意图。

4. 4 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： 　　 其中， q 为电子电量、 h 为谱郎克常数 、 v 为光子频率、 λ 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： 　　光谱响应 SR(λ) 可写为：

5. 5 图 2 光谱响应与量子效率的转换。

6. 6 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。

7. 7 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% 　　

8. 8 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% 。 　　

9. 9 内部量子效率 IQE 与外部量子效率 EQE 的关系 内部量子效率仅计算入射到材料内部。而外部量子效率不考虑接口的反射或是穿透，计算总入射光子数。若界面的反射率为 R ，则两者的关系为： 　　 图 2-2 Si 太阳能电池的外部量子效率 EQE 、内部量子效率 IQE 、反射率 R 的光谱图。

10. 10 为什么量子效率是创造高效率太阳能电池的最佳工具？ 量子效率 / 光谱响应反应了太阳能电池对不同波长的光电转换效率，而太阳能电池转换效率的好坏，受到了电池本身材料、制程、结构等因素影响，使其不同波长有不同的转换效率。 利用光谱响应技术来检测、分析电池在不同条件下，所造成转换效率的变化，可以分析制程的优劣，并找出相关提高效率的关键因素。 图 3 为两硅晶电池 A 、 B 经过两种制程后所测得的光谱响应 A 与 B ，由光谱响应结果可以得知 A 电池的效率较高，主要是因为在 700~1100 nm 波段的转换效率高于 B 电池，所贡献短路电流较 B 电池高 0.897 mA/cm^2 。但在 300~500 nm ， A 的效率略低于 B 电池，短路电流密度较 B 电池低 0.675 mA/cm^2 。因此， A 电池整体短路电流密度仍较 B 电池高了（ 0.897-0.675 ） =0.222 mA/cm^2 。 而不同波段代表电池不同层的结构与制程，将于下节中有较详细的介绍。因此，可针对不同波段反映的结果，去改进 A 电池在短波长段的制程，以再提升 A 电池的效率。由光谱响应的结果，可以相当容易的来分析太阳能电池的优劣，作为提升、改善效率的指导方针。 　　

11. 11 图 3 不同制程条件下太阳能电池光谱响应与 AM1.5G 的示意图。

12. 12 量子效率相关应用如下： 量子效率 / 光谱响应 /IPCE 在硅晶太阳能电池制程改善上之应用 量子效率 / 光谱响应 /IPCE 在铜铟镓硒（ Copper Indium Gallium Senillide ； CIGS ）太阳能电池之应用 量子效率 / 光谱响应 /IPCE 在堆栈型硅薄膜太阳能电池（ Thin-film Si tandem solar cell ）之应用 欲了解更多量子效率相关应用的细节，欢迎点击以下连结阅读全文： https://enlitechnology.com/blog/qe/quantum-efficiency-01/

13. Thank you for your time and attention. ENLITECH CONFIDENTIAL 13

14. 14 ENLITECH CONFIDENTIAL 致力於光電測量和鈣鈦礦電池領域，提供整合解決方案與創新服務 量子效率 / 光譜響應 /IPCE 測量科學儀器研發生產 影像感測 / 光二極體領域 / 半導體領域測試系統 ISO/IEC 17025 (TAF) 校正實驗室 QE/SR/ Jsc 認證服務 R&D 創新研發、技術整合、客戶端解決方案 Visit our website : www.enlitechnology.com 台灣總公司：高雄市路竹區路科五路 96 號 1 樓 TEL/ [phone] 中國銷售服務中心：上海市浦東新區祖沖之路 1505 弄 100 號 3 幢 5 樓 I 室 TEL/[phone] / 18512186724 Email: [email protected]