量子效率/光譜響應(yīng)/IPCE量測(cè)技術(shù)①：如何計(jì)算量子效率？

1. 內(nèi)容

2. 什么是量子效率（Quantum Efficiency）?

3. 量子效率如何計(jì)算？

4. 什么是外部量子效率？

5. 什么是內(nèi)部量子效率？

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什么是量子效率（Quantum Efficiency）?

　　在說明什么是量子效率（Quantum Efficiency）之前，我們先了解光譜響應(yīng)。

　　光譜響應(yīng) （Spectral Responsivity, SR） 是評(píng)價(jià)光輻射偵測(cè)組件（如光偵測(cè)器、亮度計(jì)、太陽(yáng)能電池等等）光電轉(zhuǎn)換能力的指標(biāo)，也就是入射光子-電子轉(zhuǎn)換的效率（Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE）。例如，太陽(yáng)能電池也是將光轉(zhuǎn)換為電能的一種光電組件，所以光譜響應(yīng)也是評(píng)價(jià)其轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)。

　　光譜響應(yīng) SR(λ) 可寫為：

      其中，P(λ) 為各波長(zhǎng)入射光能量，以瓦特（Watt）為單位；I(λ) 為太陽(yáng)能電池收到入射光后轉(zhuǎn)換成的電流，以安培（Amp）為單位。其物里意義為：太陽(yáng)能電池接收一瓦特的光能可產(chǎn)生多少安培電流的能力。

　　光譜響應(yīng) 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(zhuǎn)換效率）。將波長(zhǎng) 的入射光能量轉(zhuǎn)換成光子數(shù)目，而電池產(chǎn)生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數(shù)，則光譜響應(yīng)可代表每一入射的光子能夠轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)酵獠侩娐返碾娮拥哪芰ΓQ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(zhuǎn)換效率 IPCE。

圖1 太陽(yáng)能電池量子效率/光譜響應(yīng)/ IPCE原理示意圖。

量子效率如何計(jì)算？

　　光譜響應(yīng) SR(λ) 與量子效率 QE(λ) 的換算可寫成下式：

　　其中，為電子電量、為譜郎克常數(shù) 、為光子頻率、為入射光波長(zhǎng)（以 nm為單位）。改寫上式即可得外部量子效率公式：

圖2 光譜響應(yīng)與量子效率的轉(zhuǎn)換。

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

什么是外部量子效率？

　　將光譜響應(yīng)Amp/Watt單位，將安培Amp換算成單位時(shí)間電子數(shù)（electron/sec）、瓦特Watt換算成單位時(shí)間光子數(shù)（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(zhuǎn)換效率IPCE （Incident Photon-Electron Conversion Efficinecy）。

QE=EQE=IPCE

　　外部量子效率EQE計(jì)算的是總?cè)肷涔庾訑?shù)所產(chǎn)生的電子數(shù)。以圖2-1為例，假設(shè)總共有10個(gè)光子入射太陽(yáng)能電池，在太陽(yáng)能電池表面有2個(gè)光子被反射，最終有6個(gè)電荷產(chǎn)生。那么根據(jù)定義，這個(gè)太陽(yáng)能電池的外部量子效率

EQE = 產(chǎn)生電荷數(shù) / 總?cè)肷涔庾訑?shù) = 6 / 10 = 60%

什么是內(nèi)部量子效率？

　　內(nèi)部量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）也是計(jì)算光子-電子的轉(zhuǎn)換效率。與外部量子效率EQE不同的是，其計(jì)算的是真正入射到太陽(yáng)能電池內(nèi)部的光子數(shù)，以及其所產(chǎn)生的電子數(shù)。以圖2-1為例，假設(shè)總共有10個(gè)光子入射太陽(yáng)能電池，在太陽(yáng)能電池表面有2個(gè)光子被反射。那么真正進(jìn)到電池材料內(nèi)部的光子數(shù)是（10-2）= 8個(gè)光子而產(chǎn)生6個(gè)電子。那么此電池的內(nèi)部量子效率

IQE=產(chǎn)生電荷數(shù) / 入射到材料內(nèi)部的光子數(shù)= 6 / (10-2) = 75%。

推  薦  儀  器

QE-R 量子效率系統(tǒng)