量子效率(Quantum Efficiency)原理介紹

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

2. 2 什麼是量子效率 （ Quantum Efficiency ） ? 在說明什麼是量子效率（ Quantum Efficiency ）之前，我們先了解光譜響應。 光譜響應 （ Spectral Responsivity, SR ） 是評價光輻射偵測元件（如光偵測器、光度計、太陽能電池等等）光電轉換能力的指標，也就是入射光子 - 電子轉換的效率（ Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE ）。 例如，太陽能電池也是將光轉換為電能的一種光電元件，所以光譜響應也是評價其轉換效率的重要指標。 　　光譜響應 SR(λ) 可寫為： 其中， P(λ) 為各波長入射光能量，以瓦特（ Watt ）為單位； I(λ) 為太陽能電池收到入射光後轉換成的電流，以安培（ Amp ）為單位。其物裡意義為： 太陽能電池接收一瓦特的光能可產生多少安培電流的能力。

3. 3 光譜響應 亦可稱為量子效率（ Quantum Efficiency, QE ）或 IPCE （ Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子 - 電子轉換效率）。 將波長 的入射光能量轉換成光子數目，而電池產生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數，則光譜響應可代表每一入射的光子能夠轉換成傳輸到外部電路的電子的能力，稱為量子效率（ Quantum Efficiency, QE ），單位以百分比來表示。這也可稱為入射光子 - 電子轉換效率 IPCE 。 圖 1 太陽能電池量子效率 / 光譜響應 / IPCE 原理示意圖。

4. 4 量子效率如何計算？ 光譜響應 SR(λ) 與量子效率 QE(λ) 的換算可寫成下式： 　　 其中， q 為電子電量、 h 為譜郎克常數 、 v 為光子頻率、 λ 為入射光波長（以 nm 為單位）。改寫上式即可得外部量子效率公式： 　　光譜響應 SR(λ) 可寫為：

5. 5 圖 2 光譜響應與量子效率的轉換。

6. 6 圖 2-1 外部量子效率 EQE （ External Quantum Efficiency ）與內部量子效率 IQE （ Internal Quantum Efficiency ）的定義與說明。

7. 7 什麼是外部量子效率？ 將光譜響應 Amp/Watt 單位，將安培 Amp 換算成單位時間電子數（ electron/sec ）、瓦特 Watt 換算成單位時間光子數（ Photons/sec ），帶入上述公式得到的量子效率稱為外部量子效率（ EQE, External Quantum Efficiency ）。 一般而言量子效率 QE 指的就是外部量子效率 EQE ，也稱作入射光子 - 電子轉換效率 IPCE （ Incident Photon-Electron Conversion Efficinecy ）。 QE=EQE=IPCE 　　 外部量子效率 EQE 計算的是總入射光子數所產生的電子數。以圖 2-1 為例，假設總共有 10 個光子入射太陽能電池，在太陽能電池表面有 2 個光子被反射，最終有 6 個電荷產生。那麼根據定義，這個太陽能電池的外部量子效率 EQE= 產生電荷數 / 總入射光子數 = 6 / 10 = 60% 　　

8. 8 什麼是內部量子效率？ 內部量子效率（ Internal Quantum Efficiency, IQE ）也是計算光子 - 電子的轉換效率。 與外部量子效率 EQE 不同的是，其計算的是真正入射到太陽能電池內部的光子數，以及其所產生的電子數。以圖 2-1 為例，假設總共有 10 個光子入射太陽能電池，在太陽能電池表面有 2 個光子被反射。那麼 真正進到電池材料內部的光子數 是（ 10 – 2 ） = 8 個光子而產生 6 個電子。那麼此電池的內部量子效率 IQE= 產生電荷數 / 入射到材料內部的光子數 = 6 / (10-2) = 75% 。 　　

9. 9 內部量子效率 IQE 與外部量子效率 EQE 的關係 內部量子效率僅計算入射到材料內部。而外部量子效率不考慮介面的反射或是穿透，計算總入射光子數。若介面的反射率為 R ，則兩者的關係為： 　　 圖 2-2 Si 太陽能電池的外部量子效率 EQE 、內部量子效率 IQE 、反射率 R 的光譜圖。

10. 10 為什麼量子效率是創造高效率太陽能電池的最佳工具？ 量子效率 / 光譜響應反應了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率，而太陽能電池轉換效率的好壞，受到了電池本身材料、製程、結構等因素影響，使其不同波長有不同的轉換效率。 利用光譜響應技術來檢測、分析電池在不同條件下，所造成轉換效率的變化，可以分析製程的優劣，並找出相關提高效率的關鍵因素。 圖 3 為兩矽晶電池 A 、 B 經過兩種製程後所測得的光譜響應 A 與 B ，由光譜響應結果可以得知 A 電池的效率較高，主要是因為在 700~1100 nm 波段的轉換效率高於 B 電池，所貢獻短路電流較 B 電池高 0.897 mA/cm^2 。但在 300~500 nm ， A 的效率略低於 B 電池，短路電流密度較 B 電池低 0.675 mA/cm^2 。因此， A 電池整體短路電流密度仍較 B 電池高了（ 0.897-0.675 ） =0.222 mA/cm^2 。 而不同波段代表電池不同層的結構與製程，將於下節中有較詳細的介紹。因此，可針對不同波段反映的結果，去改進 A 電池在短波長段的製程，以再提升 A 電池的效率。由光譜響應的結果，可以相當容易的來分析太陽能電池的優劣，作為提升、改善效率的指導方針。 　　

11. 11 圖 3 不同製程條件下太陽能電池光譜響應與 AM1.5G 的示意圖。

12. 12 量子效率相關應用如下： 量子效率 / 光譜響應 /IPCE 在矽晶太陽能電池製程改善上之應用 量子效率 / 光譜響應 /IPCE 在銅銦鎵硒（ Copper Indium Gallium Senillide ； CIGS ）太陽能電池之應用 量子效率 / 光譜響應 /IPCE 在堆疊型矽薄膜太陽能電池（ Thin-film Si tandem solar cell ）之應用 欲了解更多量子效率相關應用的細節，歡迎點擊以下連結閱讀全文： https://enlitechnology.com/blog/qe/quantum-efficiency-01/

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