양자 효율

Quantum efficiency
양자 산출량과 혼동하지 마십시오.
이전에 허블 우주 망원경에 설치된 와이드 필드 및 행성 카메라 2의 CCD 칩 파장에 따른 양자 효율의 변화를 보여주는 그래프입니다.

양자효율(QE)이라는 용어는 광감응성 장치의 입사 광자 대 변환 전자(IPCE) 비율에[1] 적용될 수도 있고 자기 터널 접합부의 TMR 효과를 나타낼 수도 있다.

이 문서에서는 이 용어를 빛에 대한 장치의 전기 감도 측정값으로 취급합니다.전하결합소자(CCD) 또는 기타 광검출기에서 이는 어느 한 단자에서 수집된 전하담체 수와 광반응성 표면에 닿는 광자 수의 비율이다.비율로서 QE는 무차원이지만 응답성과 밀접하게 관련되어 있습니다.응답성은 와트당 암페어로 표시됩니다.광자의 에너지는 파장에 반비례하므로, QE는 종종 각 광자 에너지 수준에서 장치의 효율성을 특징짓기 위해 다양한 파장 범위에서 측정됩니다.일반적인 반도체 광검출기의 경우 에너지가 밴드 갭보다 낮은 광자의 경우 QE는 0으로 떨어집니다.사진 필름은 일반적으로 10% 미만의 [2]QE를 가지며, CCD는 일부 파장에서 90%를 훨씬 넘는 QE를 가질 수 있습니다.

태양전지의 양자효율

결정성 실리콘 태양전지의 파장에 따른 내부 양자효율, 외부 양자효율 및 반사율의 변화를 나타내는 그래프.

태양 전지의 양자 효율 값은 특정 파장의 광자에 의해 조사될 때 셀이 생성하는 전류의 양을 나타냅니다.만약 전지의 양자 효율이 태양 전자파 스펙트럼 전체에 통합된다면, 사람들은 햇빛에 노출되었을 때 전지가 생성되는 전류의 양을 평가할 수 있다.이 에너지 생산 값과 셀의 가능한 최대 에너지 생산 값 사이의 비율(즉, QE가 전체 스펙트럼에서 100%일 경우)은 셀의 전체 에너지 변환 효율성 값을 제공합니다.다중 들뜸 생성(MEG)의 경우 입사 광자가 밴드 갭 에너지의 2배 이상을 가지며 입사 광자당 2개 이상의 전자-홀 쌍을 생성할 수 있기 때문에 100% 이상의 양자 효율이 달성될 수 있다.

종류들

태양 전지의 양자 효율에는 다음과 같은 두 가지 유형이 고려된다.

  • 외부 양자 효율(EQE)은 태양 전지가 수집한 전하 운반체 수와 태양 전지를 비추는 특정 에너지의 광자 수의 비율이다(사고 광자).
  • IQE(Internal Quantum Efficiency)는 태양전지가 수집한 전하 운반체 수와 태양전지를 외부에서 비추고 전지에 흡수되는 주어진 에너지의 광자 수의 비율입니다.

가시 스펙트럼에서 IQE는 항상 EQE보다 커집니다.낮은 IQE는 태양 전지의 활성층이 광자를 잘 이용할 수 없다는 것을 나타내며, 아마도 운반체 채집 효율이 낮기 때문일 것이다.IQE를 측정하기 위해서는 먼저 태양 소자의 EQE를 측정하고 그 투과와 반사를 측정하여 이들 데이터를 조합하여 IQE를 추론한다.

따라서 외부 양자 효율은 빛의 흡수 및 전하 수집에 좌우됩니다.일단 광자가 흡수되고 전자-홀 쌍을 생성하면, 이러한 전하가 분리되고 접합부에서 수집되어야 한다."좋은" 재료는 전하 재조합을 방지합니다.전하 재조합은 외부 양자 효율의 저하를 일으킨다.

이상적인 양자 효율 그래프는 정사각형 모양이며, QE 값은 측정된 파장의 전체 스펙트럼에서 상당히 일정합니다.그러나 대부분의 태양 전지의 QE는 전하 캐리어가 외부 회로로 이동할 수 없는 재결합의 영향으로 감소한다.수집 확률에 영향을 주는 동일한 메커니즘이 QE에도 영향을 미칩니다.예를 들어 전면 표면을 수정하면 표면 근처에서 생성된 캐리어가 영향을 받을 수 있습니다.도핑이 심한 전면 표면층은 또한 '자유 캐리어 흡수'를 유발하여 [3]긴 파장의 QE를 감소시킬 수 있습니다.그리고 고에너지(파란색) 빛이 표면에서 매우 가까이 흡수되기 때문에 전면에서 상당한 재조합이 QE의 "파란색" 부분에 영향을 미칩니다.마찬가지로, 낮은 에너지(녹색) 빛은 태양 전지의 대부분에서 흡수되며, 낮은 확산 길이는 태양 전지 부피의 수집 확률에 영향을 미쳐 스펙트럼의 녹색 부분에서 QE를 감소시킨다.일반적으로 오늘날 시판되고 있는 태양 전지는 자외선과 적외선(각각 400nm 이하 파장 및 1100nm 이상 파장)에서 많은 전기를 생산하지 않습니다. 이러한 빛의 파장은 걸러지거나 세포에 흡수되어 세포를 가열합니다.그 열은 낭비되는 에너지이고,[4] 세포를 손상시킬 수 있다.

이미지 센서의 양자 효율 : 양자 효율(QE)은 광검출기 또는 픽셀의 광전류에 기여하는 광자속 비율입니다.양자 효율성은 검출기의 품질을 평가하는 데 사용되는 가장 중요한 매개변수 중 하나이며, 종종 검출기의 파장 의존성을 반영하기 위해 스펙트럼 응답이라고 불린다.이것은 입사 광자당 생성되는 신호 전자의 수로 정의됩니다.경우에 따라 100%를 초과할 수 있다(즉, 입사 광자당 하나 이상의 전자가 생성되는 경우).

EQE 매핑 : 기존 EQE 측정에서는 디바이스 전체의 효율을 얻을 수 있습니다.단, 디바이스의 넓은 영역에 EQE 맵을 배치하는 것이 많은 경우 도움이 됩니다.이 매핑은 표본의 균질성 및/또는 결점을 시각화하는 효율적인 방법을 제공합니다.이는 초분광 [5][6]이미저로 측정한 전기 발광 측정에서 EQE 매핑을 계산한 IRDEP(Institute of Polarvision Energy) 연구자들에 의해 실현되었다.


스펙트럼 응답성

스펙트럼 응답성은 유사한 측정이지만 와트당 암페어(A/W), 즉 입사 광전력 [7]단위당 장치에서 나오는 전류량 등 다른 단위를 가지고 있다.응답성은 일반적으로 단색 빛(즉, 단일 [8]파장의 빛)에 대해 지정됩니다.양자 효율과 응답성은 모두 광자의 파장 함수(첨자 θ로 표시)이다.

응답성(Rλ, A/W)에서 QEλ[9](0~1)로 변환하려면:

여기서 θ는 nm 단위의 파장, h는 플랑크 상수, c는 진공에서의 빛의 속도, e는 소전하이다.

결정.

서 N e{\ = 생성된 전자 수, {\}} = 흡수된 광자 수.

고갈층에 흡수된 각 광자가 실행 가능한 전자-공 쌍을 생성하지만 다른 모든 광자는 생성되지 않는다고 가정하면,

여기서 t는 측정 시간(초 단위), o {\ _ = 입사 광전력(와트 단위), {\ _}} = 고갈층에 흡수된 광전력(와트 단위)입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Shaheen, Sean (2001). "2.5% efficient organic plastic solar cells". Applied Physics Letters. 78 (6): 841. Bibcode:2001ApPhL..78..841S. doi:10.1063/1.1345834. hdl:11370/108e619e-c6c2-4cf9-859e-6f937ac027f2. Archived from the original on 2012-07-07. Retrieved 20 May 2012.
  2. ^ Träger, Frank (2012). Handbook of Lasers and Optics. Berlin Heidelberg: Springer. pp. 601, 603. ISBN 9783642194092.
  3. ^ Baker-Finch, Simeon C.; McIntosh, Keith R.; Yan, Di; Fong, Kean Chern; Kho, Teng C. (2014-08-13). "Near-infrared free carrier absorption in heavily doped silicon". Journal of Applied Physics. 116 (6): 063106. doi:10.1063/1.4893176. hdl:1885/16116. ISSN 0021-8979.
  4. ^ 실리콘 나노입자막은 태양전지 성능을 높일 수 있다.
  5. ^ Delamarre; et al. (2013). Freundlich, Alexandre; Guillemoles, Jean-Francois (eds.). "Evaluation of micrometer scale lateral fluctuations of transport properties in CIGS solar cells". Proc. SPIE. Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices II. 100: 862009. Bibcode:2013SPIE.8620E..09D. doi:10.1117/12.2004323. S2CID 120825849.
  6. ^ A. Delamarre; et al. (2014). "Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells". Progress in Photovoltaics. 23 (10): 1305–1312. doi:10.1002/pip.2555.
  7. ^ Gottwald, Alexander; Scholze, Frank (2018-01-01), Nihtianov, Stoyan; Luque, Antonio (eds.), "7 - Advanced silicon radiation detectors in the vacuum ultraviolet and the extreme ultraviolet spectral range", Smart Sensors and MEMs (Second Edition), Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Woodhead Publishing, pp. 151–170, ISBN 978-0-08-102055-5, retrieved 2020-08-19
  8. ^ "Quantum efficiency". HiSoUR - Hi So You Are. 2018-09-11. Retrieved 2020-08-19.
  9. ^ A. Rogalski, K. Adamiec 및 J. Rutkowski, 협간 반도체 포토다이오드, SPIE Press, 2000