知識小課堂|量子效率

量子效率是描述光電器件光電轉換能力的一個重要參數，它反映了系統(tǒng)在“輸入"（如光子）和“輸出"（如光電子或電流）之間的轉換效率。以下是關于量子效率的詳細解釋：

一、定義

量子效率（Quantum Efficiency, QE）通常定義為在某一特定波長下，單位時間內產生的平均光電子數與入射光子數之比。這是一個無量綱的量，用于衡量光電器件對光子的利用效率。

二、分類

根據應用場景和測量方式的不同，量子效率可以分為多種類型，主要包括：

1.       外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）：

描述了太陽能電池等光電器件將入射光子轉化為電子并貢獻給電流的效率。

考慮了到達器件表面的所有光子，包括因反射、吸收等損失的光子。

是評估太陽能電池性能的關鍵參數之一。

2.       內部量子效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）：

專注于器件材料本身的效率，忽略了其他層（如反射層、吸收層）的反射和吸收損失。

測量被器件材料吸收的光子轉化為電子的比例。

對于理解和改進材料的光電轉換性能具有重要意義。

三、量子效率與多種因素有關？

這些因素主要可以分為材料特性、器件設計、工作環(huán)境以及制造工藝等幾個方面。以下是一些關鍵的影響因素：

1.       材料特性：

能帶結構：半導體材料的能帶結構決定了其對不同波長光子的吸收能力。材料的帶隙寬度決定了能夠吸收光子的最小能量（即最長波長）。

載流子壽命：光生載流子（電子和空穴）在材料中的壽命會影響它們被收集并貢獻給電流的效率。較長的載流子壽命有利于提高量子效率。

缺陷和雜質：材料中的缺陷和雜質可以成為載流子的復合中心，從而降低量子效率。

2.       器件設計：

光吸收層厚度：對于太陽能電池等器件，適當增加光吸收層的厚度可以提高對光子的吸收率，但過厚的層也會增加載流子的復合損失。

反射和透射：器件表面的反射和透射特性會影響入射光子的數量，從而影響量子效率。

電極設計：合理的電極設計有助于有效收集光生載流子并降低復合損失。

3.       工作環(huán)境：

溫度：高溫會增加載流子的熱運動速度，從而增加復合率，降低量子效率。

光照強度：雖然光照強度本身不直接影響量子效率（在一定范圍內），但它會影響器件的總輸出功率和效率。

偏壓：在某些器件中，如光電二極管，施加適當的偏壓可以提高量子效率。

4.       制造工藝：

表面處理：通過化學或物理方法處理器件表面，可以減少反射損失并提高量子效率。

摻雜：適當的摻雜可以調整材料的導電性和能帶結構，從而提高量子效率。

薄膜質量：高質量的薄膜可以減少缺陷和雜質數量，提高載流子遷移率和壽命。