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量子效率|定义,方程式,应用,计算

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什么是量子效率(Quantum Efficiency)?

        量子效率是描述系统在“输入”和“输出”之间转换能力的参数。常用于现代光电组件或相关光电效应的发光材料中。光子电子组件可以是太阳能电池、光电传感器(光电二极PD)、雪崩光电二极APD)、电荷耦合组件CCD传感器、CMOS图像传感器CIS)、发光二极 (LED)。下面,我们将介绍这些器件或应用中的定义、方程、应用以及如何计算量子效率。

不同光子电子件的量子效率定义如下:

太阳能电池的量子效率

太阳能电池的量子效率是多少?入射光子-电子转换效率也称为IPCE(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency)。定义为入射光子产生多少电子。它可以帮助研究人员判断每个或特定波长的太阳能电池的品质。更多详情,请阅读“太阳能电池的量子效率和光谱响应度”

LED的量子效率

LED(发光二极)的量子效率是多少? LED是一种具有太阳能电池逆过程的主动照明光电组件 LED 的量子效率描述了有多少注入的电子转化为光子,称为电致发光现象。 LED 有两种类型的量子效率。一种是外量子效率(EQE),另一种是内量子效率(IQE)。 LED IQE 定义为每单位时间注入的电子数变成每单位时间(LED 器件内部)的光子数。 LED IQE 公式为:

LED 的 EQE 定义为每单位时间注入的电子数量转换为每单位时间(在 LED 器件之外)的“发光光子”数量。

LED的EQE公式为:

blank

LED 的 IQE 和 EQE 的区别在于光提取效率 (LEE)。关系是:

blank

因此,LEE 的公式为:

blank

IQE 表征了 LED 有源层将注入的电子转换为光子的能力。LEE代表LED组件结构设计的光提取能力,包括层结构和层折射率n匹配。EQE是LED电能在整个器件之外转化为光能的能力。

发光材料的量子产率

材料的量子产率是多少?量子产率(Quantum Yield, QY)在材料科学和化学领域很常见。它被定义为每单位时间由吸收的光子产生的每单位时间的事件数。在发光材料系统中,事件是发射的光子。简单来说,它和前面关于量子效率的描述是一致的:输入和输出之间的转换能力。

在光化学和材料科学中,研究系统的能级和电子结构非常重要。光致发光光谱是表征发光质量参数(包括中心波长、半高宽和效率)的常用且必不可少的技术。因此光致发光效率也称为光致发光量子效率或光致发光量子产率。

量子产率QY的符号通常用拉丁文blankη表示。因此,发光材料的量子产率QY定义为:

blank

量子产率(QY)也称为PLQY(光致发光量子产率)。在物理学等一些领域,使用量子效率(QE)或外量子效率(EQE)术语来表示发光材料的光致发光能力。因此,以更常见的方式,

量子产率 (QY) = 量子效率 (QE) = 外部量子效率 (EQE) = 光致发光量子产率 (PLQY)

关于如何测量量子产率的技术说明可以在网站上找到 PLQY

量子产率

图1 量子产率过程。量子产率是描述材料将入射光子转化为光子的能力的量。量子产率计算每秒有多少发射光子除以吸收光子。

荧光的量子效率

什么是荧光的量子效率?荧光是光致发光的一种。当电子从基态激发到激发态时,自旋为单重态。如果激发的单重态直接辐射衰变为基态,则没有自旋变化。发射的光现象称为荧光。

Fluorescence: Excited Singlet State (S1) => Ground State (S0)

因此,荧光的量子效率就是荧光的量子产率。它通过荧光过程表征材料的光致发光能力,不发生自旋变化。

Quantum Efficiency of Fluorescence = Quantum Yield of Fluorescence

与荧光相反,磷光是另一种发光现象。从著名的 Jablonski-Diagram 可以很容易地识别荧光和磷光之间的区别。在激发单重态(S1)的自旋状态通过系统间穿越(ISC)转变为激发三重态后,辐射衰变到基态称为磷光。

Phosphorescence: Excited Triplet State (T1) => Ground State (S0)

 

Jablonski-Diagram、光致发光过程

图2 Jablonski 图。光致发光过程描述如下。第一步是吸收或激发。电子或载流子被激发到激发单重态(S2 或 S3)并弛豫到第一个激发单重态(S1)。

这个松弛过程是在飞秒时间尺度(10-14 秒)。 S1 有两种释放能量的途径:

1. 辐射衰变到基态并发射光子。

2. 非辐射衰变到基态并通过振动能量弛豫发射声子。

3.通过系统间交叉(ISC)过程将其自旋状态更改为三重态。从 Jablonski-Diagram 我们可以看到这些过程。

表观量子效率 (AQE)

什么是表观量子效率(AQE)?表观量子效率常用于光催化剂或光化学领域。可以定义如下:

“在非均相光催化中,量子效率已经开始定义反应电子的数量相对于反应系统中入射的光子总数,对于未定义的反应器几何形状和多色辐射,而不是在给定波长下吸收的光子数量满足均相光化学中的光化学定义。”(来自基于半导体的光催化剂的光催化水分解)。

光催化剂的AQE公式可计算如下:

表观量子效率 AQE 也称为 AQY (表观量子产率)。它表征了光催化反应中产氢效率的高低。 AQE (%)= 2* 反应的 H2 数/入射光子数。

X 射线成像仪的检测量子效率 (DQE)

什么是检测量子效率 (DQE)? DQE 通常用于描述 X 射线成像设备的性能。它在 X 射线医学成像中至关重要,它可以告诉用户对患者的辐射剂量如何。 DQE 的公式用基于傅里叶的空间频率表示:

DQE值可以用来量化和判断X射线图像传感器的质量。但是,由于 X 射线图像传感器是图像系统的一个组成部分,因此 DQE 并不能完全代表 X 射线图像的质量。还有其他组件和因素会影响最终的 X 射线图像质量。

更多详情可以参考外部链接:

  1. DQE as quantum efficiency of imaging detectors

图像传感器的量子效率

图像传感器的量子效率是多少?图像传感器是一种光学组件,由光电二极管以二维的方式群集起来。量子效率图像传感器是入射光子-电子转换的效率,类似于光电二极管。人们可以意识到,图像传感器的量子效率是传感器所有光电二极管的“平均量子效率”。

 

图像传感器按组件设计可分为CCD和CMOS图像传感器。近年来,CMOS图像传感器(CIS)以其低成本和高性能占据了图像传感器市场的主导地位。

CCD、CMOS图像传感器、示意图配置

图3 CCD 和 CMOS 图像传感器的结构示意图。入射光子进入图像传感器的光电二极管单元,基于图像传感器的量子效率能力产生光电子。由于 CCD 和 CMOS 图像传感器的固有组件结构,电荷以不同的方式向外传输并转换为电压信号。

图像传感器的结构会影响量子效率性能。例如,由于感光面积增加,BSI(背面照明)CIS 的绝对量子效率比传统的 FSI(正面照明)CIS 高约 30%。

 

CIS的量子效率曲线通常采用无损检测方法。通过使用特殊的光束调制技术并测量CIS产生的图像变化,数字图像方差可以转换为模拟量子效率曲线。最大的好处是您不需要打破 CIS 并使用探针尖端来测试 CIS 的光电二极管组件。如果您对测试系统感兴趣,请阅读 SG-A

量子效率曲线、CIS、RGB曲线

图4 具有 R、G、B 拜尔滤波器的 CIS 的量子效率曲线。黑色曲线是 RGB 曲线的总和,通常将其相加来表示 CIS 整体量子效率能力。这些曲线由SG-A系统测量。

CCD的量子效率

CCD的量子效率是多少? CCD是一种图像传感器类型,由光电二极管数组组成。 CCD的量子效率是表征光子-电子转换能力的一种能力。 CCD的量子效率描述了整个组件的性能;因此,也称为CCD的EQE(外量子效率)。

CCD、光谱灵敏度

图5 CCD 的量子效率和人类视觉的感光灵敏度。不同的组件结构和不同的加工条件,CCD的量子效率曲线有很大的不同。 CCD的量子效率最高的是黑色薄型的CCD,可以达到甚至超过90%。 (来源:Hamamatsu

如何测量CCD的量子效率? CCD量子效率的测试方法与CIS量子效率测量类似。利用无损调制光束,对不同光束下的图像进行测量和分析。数字图像信号被重新卷积为模拟量子效率曲线。

CCD、量子效率

图6 最受欢迎的 CCD 的 QE 对比图。这些 CCD 的制造商来自柯达(KAF-3200、KAF-1603ME、KA11002、KAF-8300、KAF-6303、KAI-4022、KAF-16803)和索尼(ICX285、ICX694)。(来源

PMT 的量子效率

PMT的量子效率是多少?在此之前,我们应该了解什么是 PMT:

“光电倍增管是一种真空管,由输入窗口、光电阴极、聚焦电极、电子倍增器和通常密封在真空玻璃管中的阳极组成。”来自Hamamatsu PMT 手册:

photomultiplier tub、光电倍增管、quantum efficiency capability、量子效率能力

图7 光电倍增管的结构示意图。光入射到PMT的面板,然后通过光电阴极、聚焦电极、电子倍增器和阳极。基于光电阴极的量子效率能力,入射光子被转换为电子。产生的电子通过高压在打拿极中倍增,即使在单光子情况下也可以检测到非常低的光子条件。

PMT是一种可以将入射光子转换为电信号的光电组件。因此,PMT的量子效率是表征有多少入射光子转化为光电子的能力的参数

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图8 具有不同光电阴极的 PMT 的量子效率。曲线代号和光电阴极材料匹配如下表,并绘制了光电阴极的理论量子效率曲线。光电阴极材料在 PMT 中占主导地位。它可以改变光谱响应波长范围和响应强度。(来源: Hamamatsu)

Curve CodePhotocathode MaterialWindow Material
150M
Cs-IMgF2
250SCs-TeQuartz
250MCs-TeBorosilicate
350KSb-CsUV
351USb-CsUV
452UBialkaliUV
456ULow dark bialkaliUV
552UMultialkaliUV
555UMultialkaliUV
650UGaAs(Cs)UV
650SGaAs(Cs)Quartz
851KInGaAs(Cs)Borosilicate

光电二极管 (PD) 的量子效率

光电二极管 (PD) 的量子效率是多少?光电二极管也称为光电探测器,可以将入射光子转换为电子。因此,光电二极管的量子效率是描述光子-电子转换效率的一个特征。

PD的量子效率公式:

blank

SR(λ) 是以安培/瓦特为单位的光谱响应度。在光电二极管或光电探测器表征领域,光谱响应度 (SR) 比量子效率更常用于描述光电二极管组件的性能。光电二极管的量子效率与外量子效率(EQE)相同。

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图9 不同波长响应范围的不同光电二极管的量子效率。硅光电二极管的响应波长范围为 300nm 至 1100nm。 Ge光电二极管的量子效率曲线为900nm到1800nm。绿线是硅太阳能电池的量子效率曲线,外量子效率超过95%。与太阳能电池不同的是,光电二极管的量子效率曲线设计并不是在极高的 EQE 上进行设计,而是在量子效率和暗噪声电流或光检测应用波长范围(例如 UV 或 NIR 范围)之间取得平衡。因此,量子效率曲线对于光电二极管组件来说很重要,但对于光电二极管来说,它并不是最重要的参数。(来源:Enlitech)

在许多应用中,光电二极管工作在一定的偏置电压下,可以缩小PN结能带图,提高光子探测的响应速度。因此,光电二极管的量子效率曲线也常见于一定的偏置电压下。

Si photodiode、Si光电二极管

图10 封装的硅光电二极管。 Si 光电二极管是 Hamamatsu 的 S1337。封闭式封装是阳极氧化铝机身。黑色阳极化涂层可以有效消除散射杂散光,保持光电二极管的精度,不影响其量子效率。

Ge photodiode/ Ge光电二极管

图11 封装的锗光电二极管。 Ge 光电二极管是 TO 封装,覆盖了阳极氧化铝主体。光子通过 Ge PN 结并根据其量子效率能力转换为电子和电流信号。电流信号通过 BNC 连接器连接到外部电路。

APD的量子效率

雪崩光电二极管 (APD) 的量子效率是多少? APD 是一种在高偏置电压下工作的光电探测器。它可以产生“雪崩效应”来增加APD的增益。 APD 的量子效率为:

quantum efficiency curves, 量子效率曲线, APD, PMT

图12 APD 和 PMT 的量子效率曲线。通常,APD 比 PMT 具有更高的量子效率性能。 APD的量子效率曲线中的光谱响应波长范围比任何光电阴极类型的PMT都要宽得多,尤其是在NIR波长范围内。从量子效率曲线来看,它们是 APD 的主要优势。(来源:Wiley.com

APD的量子效率可能不会比普通PD的量子效率高多少。然而,APD的雪崩效应可以提高信噪比并克服电子噪声。因此,APD 通常与 PMT 一样,用于微光检测应用。

为了进一步了解如何测量光电组件的量子效率,我们将以太阳能电池为例,解释量子效率的相关信息。

太阳能电池的量子效率和光谱响应度

  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:

blank

  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。

太阳能电池﹅光谱响应﹅光电转换效率

图13 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:

spectral-response-光譜響應-量子效率-公式-QE.jpg

  其中,q 为电子电量、h  为普朗克常数 、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:

External-Quantum-Efficiency外部量子效率公式-EQE-QE.jpg
光谱响应﹅量子效率

图14 光谱响应与量子效率的转换。

太阳能电池﹅光谱响应﹅光电转换效率

图15  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%。

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。若接口的反射率为R,则两者的关系为:

blank
外部量子效率﹅反射率﹅内部量子效率

图16 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。

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17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。

太阳能电池﹅光谱响应﹅AM 1.5G光谱

图17 不同制程条件下太阳能电池光谱响应与AM1.5G的示意图。

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光谱不同波段反应太阳能电池各层的特性。以硅晶太阳能电池为例,在入射的界面,产生界面的反射,不同波长反射的程度不一,通常UV段与红外波段的反射所造成的损耗较高,而在可见光波段损耗最低。

  在350 nm ~ 500 nm波段,光谱响应曲线是随着波长的增加而提升,因长波长光子穿透深度较深,接近pn接面,因此转换效率提升。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面内部电场可有效率的拆解吸收光子后的电子电洞对,因此,效率最高 500 ~ 800 nm波段,反应的是pn接面层的特性。800 ~ 1100 nm波段穿透到最下层的p层,光谱随波长增加而快速递减。可由图4单晶硅太阳能电池外部量子效率观察出各层反应特性。

硅晶太阳能电池﹅反射损耗﹅抗反射层吸收﹅N层吸收﹅P层吸收﹅复合损耗

图18 硅晶太阳能电池量子效率光谱与各波长反应之示意图。插图为硅晶太阳能电池组件结构。

  以前图3为例,由光谱响应换算成量子效率可以得到下图5。A电池在300 nm ~ 500 nm效率效率较B电池低,欲再提升A电池的效率,应该要着重在抗反射层(300 nm~ 350 nm)与n层(350 nm ~ 500 nm)的制程上,作为改进之方向。

太阳能电池﹅制程差异﹅光谱响应﹅量子效率

图19 两个不同制程电池的量子效率光谱。

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如何计算量子效率?(量子效率公式)

光谱响应和量子效率之间的转换可以写成以下公式:

q 是 电子数量,  h 是普朗克常数,  v 是光子频率, λ 是入射光子的波长 (nm).

根据上式,外量子效率公式可改写为:

什么是量子效率公式?

如上所述,太阳能电池的量子效率是入射光子产生的电子,也称为外量子效率(EQE)。因此,量子效率的公式为:

太阳能电池量子效率测量仪器

  太阳能电池/光伏器件的量子效率的定义为在给定波长下每输入辐照度或辐射功率的输出电流。测量太阳能电池外部量子效率的设备通常具有以下几个主要部件:

以下,我们将针对这些组成,做详细的说明。

1.单色光产生系统:

太阳能电池量子效率测量的单色光产生系统包括

1.1 连续波长灯泡/光源:

什么样的灯泡/光源适合量子效率测量系统?在太阳能电池量子效率测试应用中,氙气灯泡最常用作连续波长的白光光源。氙灯的发射波长覆盖250nm到2700nm,非常适合太阳能电池量子效率光谱范围。不仅涵盖当前主流和新型太阳能电池,包括Si太阳能电池(300nm~1200nm)、CIGS太阳能电池(300~1300nm)、有机太阳能电池OPV(300nm~1000nm)、钙钛矿太阳能电池(300nm~800nm)、卤素灯泡QTH虽然发光辐射光谱比较平滑,但其在短波长(<400 nm)的辐射强度不足,不能用于测试300 nm~400 nm太阳能电池的量子效率。因此,量子效率测量系统中使用的光源大多以氙光源为主。

灯泡所辐射出的光子需要光学组件将其收集并引入单光仪中。所使用的光学组件可以是透镜或是反射镜等。不同的集光系统光学设计,会影响最终单色光的辐射强度。短弧氙灯的发光结构(你没想过的氙灯运作原理?)是最接近点光源的灯泡,搭配近轴光学组件,可以较卤素灯泡将更多的光子入单光仪中,以产生更高光强度的单色光。在量子效率的测试过程中,较多的入射光子可以产生更多的电子。如此,可以有更好的讯号/噪声比,也会大幅降低量子效率测试结果的不确定度 Uncertainty Analysis of Certified Photovoltaic Measurements at the National Renewable Energy Laboratory)。因此,集光系统的设计对于准确的量子效率测试系统扮演着重要的角色。

1.3 单光仪:

什么是单光仪?单光仪在量子效率测试系统中是不可缺的重要零件。单光仪是一种光学设备,可以将连续波长的白光藉由折射(Prism)或是绕射(光栅)原理,将不同波长色光在空间中分离出来、过滤并输出特定波长。目前单光仪主要以采用光栅Czerny-Turner形式为主流,主因是可提供良好的分辨滤与感光强度。其光学布局中,光同过一个入口狭缝由一个曲面准直镜,将光反射到光栅平面上。藉由光栅绕射将光分散成一系列的光带,然后再用一个镜子将绕射的单色光以特定角度通过出口狭缝。

1.4 自动滤镜转轮:

滤光轮的作用是固定滤光片,滤除衍射光栅的高阶杂散光。每个衍射光栅都有单色射线的高阶项。这是光栅的本质。量子效率测量的波长探测范围通常覆盖几百纳米,也涵盖了每个光栅的衍射高阶项。这些高阶衍射光通常是量子效率测量中不需要的波长射线。因此,利用带通滤光片去除这种杂散光是常见且必要的。可以控制自动滤光轮在单色仪的不同波长范围内更换不同的滤光片,从而在整个感兴趣的波长范围内自动进行量子效率测量。

我应该将自动滤光轮放在量子效率测量系统的什么位置?在量子效率测量中,白光被收集到单色仪的入口处,在出口狭缝处成为单色光束输出。自动滤光轮通常放置在单色仪出口狭缝的后面。它可以尽可能地滤除单色仪杂散光。

2.单色光调制系统:

什么是单色光束调制系统?

单色光调制系统将直流单色光束调制成特定频率 f 的交流交变光束。在太阳能电池量子效率测量系统中,机械光学斩波器系统最常用于调制单色光束。

什么是光斩波系统?

光斩波系统是由电子反馈电路控制的扇形叶片,以一定的旋转速度将连续光调制成特定频率f的周期性间歇光。其组成包括控制单元、切碎头装置、切碎刀片。

斩波器

为什么要有光学斩波器来调制单色光?

光学斩波器通常是伴随着锁相放大器使用。光学斩波器透过控制单元控制斩波叶片与斩波装置,将连续直流单色光调制成为固定频率f的交流光束。控制单元还会送出一个调制频率f的TTL参考电讯号,连接到锁相放大器的接收参考频率讯号信道。锁相放大器会将讯号输入端接收到的各种频率滤除,仅留下与参考频率f相同频率的讯号。

我应该将光学斩波器放置在量子效率测量系统中的什么位置?

光学斩波器最佳的位置是在单光仪的入光狭缝前。这个位置可以最好的斩波入射光,并且可以避免多次反射的单色光被斩波器调制后,入射到带测样品上,产生干扰讯号。在量子效率测量系统中,斩波器的位置,与漫反射光的屏蔽十分重要。若两者在光路设计上不良,将会造成量子效率测试的结果有很大的误差。

光斩波器,量子效率系统

图20 斩波器在系统内的位置。

我应该选择什么样的光学斩波器?

光学斩波器多伴随锁相放大器用于精密光谱学测量。而在知名的锁相放大器制造商Stanford Research SystemSR540光学斩波器自1986年问世后,就在光学斩波器领域十分著名。但随着三十年间电子元器件技术的大幅进步,SR540并没有太大的设计改动与改进。因此,目前已经有许多的光学斩波器性能以大幅超越SR540光学斩波器。特别是光学斩波器的频率稳定性与频率飘移,SR540的频率飘移在2%,但量子效率测量的重续性若要在99%以上,光学斩波器的频率飘移(Frequency jitter)要在0.1%的能力。代表着光学斩波器的Phase-lock-loop的频率回授控制能力十分重要。

 SRS SR540 ChopperNewport 3502 chopperEnli chopper
适用EQE测量的叶片6/5 slot2 slot3 slot
适用EQE的叶片频率4 Hz ~ 400 Hz4 Hz ~ 213 Hz4 Hz ~ 450 Hz
频率分辨率1 Hz0.1 Hz0.01 Hz
频率稳定度2%> 0.12%> 0.05%

在量子效率系统中,光源不是同调雷射光源。因此,与普通同调激光束相比,束斑和发散角相当大。斩波器的槽密度不宜过高,即槽数一般不大于5槽。

在量子效率测试中使用2或3槽叶片更合适,因为槽的面积更大,更能完全「斩断」非相干单色光束。 如果单色光束没有被刀片槽完全斩断,光束将不会被调制成单一频率。锁相放大器读取的信号会不稳定,导致量子效率测量出现错误的EQE曲线。

3. 光电流放大与讯号解调系统 :
当单色光束入射到太阳能电池或被测器件时,由于光电效应会产生光电流。

入射光束由频率为f的斩波器调制,因此,产生的光电流也将是调制后的交流电流信号。交流电流通常连接到前置放大器,前置放大器可以通过OP或JFET将电流信号转换为电压信号并放大强度。放大后的信号被送到锁相放大器,由它以调制频率f解调。

需要注意的是,量子效率测量系统中产生的光电流通常在几nA到几百nA之间,处于电缆噪声范围内。因此,应屏蔽和避免电缆产生的噪声和其他仪器引起的电磁噪声。 如果不能有效抑制噪声电流,量子效率曲线将不平滑。EQE的重复性和再现性不会很高,这会导致如上所述的测量不确定性。

在量子效率测量系统中,常用斩波器调频和锁相放大器解调。优点之一是使用锁定放大器时的高信噪比。使用调制和锁定技术的第二个好处是可以在太阳能电池或 DUT 上施加直流电压偏置或直流光偏置。下面我们将描述应用光偏压和电压偏压的主要原因。

4.偏置光系统:
量子效率测量系统中的偏光系统是什么?它是连续波长灯源可以随时间产生稳定光强度的光源系统。

通常在两种情况下,可能需要将直流偏置光应用到太阳能电池或DUT。

直流偏置光系统的第一个用途是填充太阳能电池内部的缺陷与载子陷阱。1980年代,科学家们发现量子效率曲线取决于偏置光强度。当增加偏置光强度时,量子效率强度和光谱形状也会发生变化。当时的Si提纯技术还没有现在这么好(99.9999%),所以硅片内部有很多陷阱和缺陷。一般来说,量子效率测量中的交流单色光束强度小于uW,远小于一个太阳强度(1000 W/m2)。太阳能电池在一种太阳强度下工作。为了获得合理的量子效率,应该使用直流偏光照明来“创造”量子效率测量的单太阳条件。直流偏置光光子将填满陷阱,从而避免了单色光束产生的交流光电流。

然而,直流偏置光也是交流光电流信号的一种“噪声”。虽然锁定放大器可以“锁定”具有调制频率 f 的光电流信号并电滤掉直流信号。如果直流偏置光产生的直流光电流过高,它仍然会导致锁定放大器“过载”并且无法工作。

辐照度水平, 光谱响应度, 晶体硅太阳能电池

我应该将什么 DC 偏置光强度级别应用于量子效率测量? 如果您对详细信息感兴趣,请点击下方按钮让我们知道,然后我们将撰写有关此主题的文章。

偏光的第二个用途是在测量串联或多结太阳能电池时。需要“颜色”偏置光照明使子电池/电池“饱和”以获得每个子电池的量子效率曲线。 IEC 60904-8-1:2017 中描述瞭如何测量太阳能电池的量子效率的详细信息。 您可以点击底部让我们知道,然后我们将撰写有关此主题的文章。

5.偏置电压系统:
6.样品夹治具:
7.参考光电二极管:

什么是量子效率测量中的参考光电探测器?

通常,在量子效率测试中,单色光源校准中可接受的探测器有3种。

  1. 光谱校准的光电二极管、光电二极管辐照度探测器或太阳能电池,在功率或辐照度模式下进行校准。
  2. 低温辐射计。
  3. 热释电辐射计。

应该注意的是,在进行量子效率测试之前,光谱校准的光电二极管应具有包括组件整个光谱响应范围的校准数据。如果缺少一部分范围,则会限制光谱测量范围。

8.外部量子效率测量软件:

如何测量太阳能电池的 EQE?

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图21 用于量子效率测量的光学和电子元件的设置。量子效率测量系统由白光灯系统、斩波器、自动滤光轮、两个锁相放大器组成,一个用于信号,另一个用于监控光电探测器。

光伏元件的量子效率定义为在给定波长下每输入辐照度或辐射功率的输出电流,它通常表示在一特定波长范围内光伏元件的响应数值。由以下程序确定::
1. 将一束单色、截断的光束以垂直入射的方式引导(接近)到电池上。同时,连续的白光束(偏置光)用于在 0 ~ 1 太阳强度之间的某些辐照度水平下照亮 DUT。
2. 当入射光的波长在元件的量子效率范围内变化时,监测短路条件 (Vterminal=0) 下电流的交流斩波分量的幅度。
3. 入射到设备上的单色光束的总功率或辐照度由参考光电探测器确定。然后可以使用测量的元件光电流和单色光束的功率或辐照度来计算元件的绝对量子效率。

量子效率測量程序​

1. 将参考光电二极体放置并安装在与被测设备平面对齐的测试平面上。
2. 调节或控制温度,使参考光电二极体的温度保持在25℃。光电二极体校准温度通常为 25℃。
3. 使用参考光电探测器测量待测量子效率光谱范围内的光辐照度。以Si光电二极体为例,其光辐照度响应波长范围为300nm~1100nm。光谱响应度校准的波长步长为 10 nm。因此,在太阳能电池的量子效率测试中,辐照校准中波长步长多为10nm。
4. 参考光电探测器在各波长处进行辐照强度校准时,部分光强由监控光电二极体采集。监控光电二极体信号也由一个独立的锁定放大器 m1 记录。
5. 将待测元件放置并安装在测试治具中。将温度设置为25℃或感兴趣的温度,连接到锁定放大器,记录调制电流信号。
6. 如果打开直流偏置灯,记录被测元件中的偏置电流。确保在整个量子效率测量过程中偏置光电流不会使锁定放大器饱和。一般来说,

为什么校准对于量子效率测量很重要?​

参考光电探测器必须在单色光源的强度和波长范围内具有已知的线性电流与入射光强度比。参考光电探测器的校准必须可通过 NIST、PTB 或任何 ISO 17025 认可的实验室(可提供光谱响应度标度或其他辐射度标度)追溯到 SI 单位。

ISO17025、认可证书

什麼是 EQE 測量中的“功率模式”和“輻照度模式”?​

可以執行的測量類型取決於參考光電探測器的校準模式以及參考光電探測器的尺寸、DUT 和單色光束之間的關係。 “更小”是指整個光束到達參考檢測器或 DUT 的光敏表面。 “更大”是指整個探測器或設備都被照亮。 “均勻”是指與參考檢測器或 DUT 相交的光束部分是均勻的。 “已定義”意味著光束功率是已知的,因為輻照度在光源和 DUT 之間的孔徑區域內是均勻的。在指示“絕對”測量能力的地方,暗示也可以執行“相對”測量。

在功率模式下校準的光電探測器必須在其光敏區域上具有空間均勻的光譜響應度。以輻照度模式校準的光電探測器可能具有空間上不均勻的光譜響應特性,並且只能與大於其表面積的均勻單色光束一起使用。

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

  铜铟镓硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)属于四元化合物半导体,归类为单接面太阳能电池,图22为其常见的组件结构。

CIGS太阳能电池﹅CIGS组件结构

图22 CIGS铜铟镓硒太阳能电池组件结构。[2]

  铜铟镓硒随着铟镓含量的不同影响其能隙的大小,使其其光吸收范围可从1.02 ev至1.68 ev。而量子效率/光谱响应/IPCE可以针对不同的太阳能电池来测试其能隙大小。如图23所示,当铜铟镓硒的镓的含量增加,而由量子效率/光谱响应/IPCE光谱量测的结果发现,其能隙随之增加,因此可做为制程中镓成分的检测工具。

太阳能电池﹅掺杂浓度﹅能隙变化﹅量子效率

图23 相同组件结构下,改变不同的镓成分的量子效率光谱,显示随着镓的成分提高,铜铟镓硒的能隙亦随之增加,从1 eV提升到1.67 eV。[2]

  现阶段技术发展重点以降低成本和提高光电转换效率为研究方向,如图24绘出对应不同波段量子效率/光谱响应/IPCE光谱所反应之组件结构各部特性。如在波长 300 nm ~ 400 nm 可观察出Window层(ZnO)的量子效率,波长 400 nm ~ 540 nm 可观察出Buffer层(CdS)的量子效率,波长 540 nm ~ 1200 nm 可观察出Absorber层(CIGS)的量子效率。

CIGS太阳能电池﹅制程差异﹅光谱响应﹅量子效率

图24 铜铟镓硒太阳能电池量子效率光谱与不同波长段反应电池各层特性示意图。[3]

  图25的量子效率光谱是改变CdS的薄膜厚度,不改变CIS的制程条件,结果显示400-500 nm波段随着CdS的厚度变化(15 nm ~ 80 nm)而效率随之变化,在波长> 500 nm波段,显示了CIS的效率并没有显著差异,代表其制程条件稳定,最终可明确的评断出CdS最佳的膜厚条件为15 nm。若是相同的CIS制程条件,而> 500 nm波段光谱有所变化,则表示有其他的因素影响不同CdS薄膜厚度变化实验结果, 则可再分析相关的制作过程影响,达到单次制程实验得到最多有效信息之成效。透过量子效率/光谱响应/IPCE的检测可观察出制程改变之细部影响,并建立数据库进而作为产在线良率变化时,寻找问题、改善条件之方便工具。

CdS太阳能电池﹅制程差异﹅光谱响应﹅量子效率

图25 调整不同CdS层厚度可由量子效率/光谱响应/IPCE光谱看到400~500nm波段对电池效率的影响。[2]

太阳能电池﹅缓冲层﹅开路电压﹅短路电流

图26 选用不同Buffer层材料所制作出的电池组件电流电压效率图,新材料 ZnS(O,OH)在短路电流上提升约1 %的变化,开路电压下降了25 mV。[2]

光谱响应、量子效率、太阳能电池

图27 不同Buffer层材料的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。显示ZnS(O,OH)层本身的转换效率优于CdS,惟对CIGS亦产生影响,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS接口问题,ZnS(O,OH)则具备应用之潜力。[2]

  由上述说明可了解量子效率/光谱响应/IPCE光谱,可提供铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)讯息如下:

  1. Window/ Buffer/ Absorber等各层的光电转换效率
  2. Absorber 铜铟镓硒中的镓浓度对材料能隙的鉴定
  3. 各层因制程条件转变所造成效率的变化程度

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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

  硅晶材料价格昂贵,而硅薄膜材料用料少(硅芯片~ 200 um;硅薄膜 < 5 um,材料用料不到硅芯片的 5%)。因此,自2006年起硅薄膜太阳能电池吸引了许多研究与厂家投入。在转换效率上,商用非晶硅薄膜模块的极限约为7%,相较于堆栈型硅薄膜太阳能电池模块能够超过 10%,使得堆栈式硅薄膜太阳能电池已成市场主流。图28是双层堆栈型太阳能电池的组件结构。

叠层太阳能电池﹅掺杂浓度﹅组件结构

图28 堆栈型硅薄膜太阳能电池结构图;在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜,接着制作高掺杂浓度的接口层(intermediate layer)后,制作微晶硅薄膜与电极。

  图29是利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术量测非晶硅-微晶硅堆栈型硅薄膜太阳能电池各层的量子效率/光谱响应/IPCE光谱,此光谱对AM1.5G标准太阳光谱做计算可以得到各层的短路电流密度。若是利用太阳光模拟器与电流-电压曲线仪,仅能得到一个输出电流密度,无法知道各层电池的好坏,更无法订定明确的制程改善方向与目标[4]。以图13的结果为例,利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术测出是由下层微晶硅电池限制了整体电池的输出电流,因此可以将制程改善的方向放在下层微晶硅电池的制程,藉由提高微晶硅电池的转换效率,使得上、下层电流密度匹配,即可提高整体效率,无需再设计更多的实验条件来验证是何层电池限制了整体电池效率,可大幅提升制程开发、效率改进的时程与成本。

叠层太阳能电池﹅双结电池﹅光谱响应﹅量子效率

图29 非晶硅-微晶硅堆栈型硅薄膜太阳能电池上层电池与下层电池的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。

  例如,为增加上层电池的电流密度,可以在上下层电池间增加一层中间反射层如ZnO,将原本会穿透上层非晶硅电池的光部分反射回上层电池中,形成光线捕捉(Light trapping)的功用,提升上层电池的电流密度。图30即为在标准双层非晶硅-微晶硅堆栈型太阳能电池中有无增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。图31为两种结构的量子效率/光谱响应/IPCE光谱测试的结果。我们可以了解到量子效率/光谱响应/IPCE光谱可以容易的检测出堆栈型硅薄膜电池微结构上的变化,做为制程改进上的有力依据。[5]

叠层太阳能电池﹅掺杂浓度﹅组件结构

图30 标准双层堆栈型电池结构及增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。

叠层太阳能电池﹅双结电池﹅光谱响应﹅量子效率﹅光线捕捉层

图31 增加ZnO中间层制程前后的光谱响应/量子效率光谱。

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  在现今竞争激烈的太阳能产业中,不断地降低成本,提高光电转换效率,是太阳能厂商脱颖而出的必要条件!太阳能电池转换效率的提升,关键在于制程及材料的改善。测量太阳能电池的量子效率/光谱响应/IPCE,能了解太阳能电池在不同光波长下光电转换效率的情形,使用者可依据光谱响应的结果快速找到制程的问题点加以改善,更有助于效率的提升。

参考文献

[1] www.enli.com.tw

[2] A. Pudov “IMPACT OF SECONDARY BARRIERS ON CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐CELL OPERATION” Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 2005

[3] Markus Gloeckler “DEVICE PHYSICS OF CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐CELL” Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 2005

[4] A.V. Shah et al./Solar Energy Materials & Solar Cells 78 (2003) 469-491

[5] Oerlikon Solar – Constantine, 24 Sep 08

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