量子効率

量子効率（QE）という用語は、感光性デバイスの入射光子対変換電子（IPCE）比^[1]に適用される場合もあれば、磁気トンネル接合の TMR効果を指す場合もあります。

この記事では、デバイスの光に対する電気的感度の測定値としての用語を扱います。電荷結合素子(CCD) またはその他の光検出器では、いずれかの端子で収集された電荷キャリアの数とデバイスの光反応性表面に当たる光子の数の比率です。比率としては、QE は無次元ですが、ワットあたりのアンペア数で表される応答性と密接に関連しています。光子のエネルギーはその波長に反比例するため、QE は多くの場合、各光子エネルギーレベルでのデバイスの効率を特徴付けるために、さまざまな波長の範囲で測定されます。一般的な半導体光検出器では、エネルギーがバンドギャップを下回る光子では QE がゼロになります。写真フィルムの QE は通常 10% を大幅に下回りますが、^[2] CCD の QE は波長によっては 90% をはるかに超えることがあります。

太陽電池の量子効率値は、特定の波長の光子が照射されたときに太陽電池が生成する電流の量を示します。太陽電池の量子効率を太陽の電磁スペクトル全体にわたって積分すると、太陽光にさらされたときに太陽電池が生成する電流の量を評価できます。このエネルギー生成値と太陽電池の最大エネルギー生成値（つまり、スペクトル全体で QE が 100% の場合）の比率が、太陽電池の全体的なエネルギー変換効率値になります。多重励起子生成(MEG)の場合、入射光子のバンドギャップエネルギーが 2 倍以上になり、入射光子ごとに 2 つ以上の電子正孔対を生成できるため、100% を超える量子効率が達成される可能性があることに注意してください。

太陽電池の量子効率には、次の 2 つのタイプがよく考慮されます。

• 外部量子効率 (EQE)は、太陽電池によって収集された電荷キャリアの数と、外部から太陽電池に照射される一定エネルギーの光子の数(入射光子) の比です。
• 内部量子効率 (IQE)は、太陽電池によって収集される電荷​​キャリアの数と、外部から太陽電池に照射され、太陽電池によって吸収される所定エネルギーの光子の数の比率です。

可視スペクトルでは、IQE は常に EQE よりも大きくなります。IQE が低いということは、太陽電池のアクティブ層が光子をうまく利用できないことを示し、その原因はキャリア収集効率の低さにあると考えられます。IQE を測定するには、まず太陽電池の EQE を測定し、次に透過率と反射率を測定し、これらのデータを組み合わせて IQE を推測します。 $${\displaystyle {\text{EQE}}={\frac {\text{電子/秒}}{\text{光子/秒}}}={\frac {{\text{(電流)}}/{\text{(電子 1 個の電荷)}}}{({\text{光子の総出力}})/({\text{光子 1 個のエネルギー}})}}}$$ $${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{electrons/sec}}{\text{absorbed photons/sec}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-Reflection-Transmission}}}}$$

したがって、外部量子効率は光の吸収と電荷の収集の両方に依存します。光子が吸収され、電子正孔対が生成されると、これらの電荷は分離され、接合部で収集される必要があります。「優れた」材料は電荷の再結合を回避します。電荷の再結合は外部量子効率の低下を引き起こします。

理想的な量子効率グラフは正方形で、QE 値は測定された波長の全スペクトルにわたってほぼ一定です。ただし、ほとんどの太陽電池の QE は再結合の影響で低下し、電荷キャリアは外部回路に移動できなくなります。収集確率に影響を与えるのと同じメカニズムが QE にも影響します。たとえば、前面を変更すると、表面近くで生成されたキャリアに影響を与える可能性があります。高濃度にドープされた前面層は「自由キャリア吸収」を引き起こし、より長い波長の QE を低下させる可能性があります。^[3]また、高エネルギー (青色) 光は表面の非常に近くで吸収されるため、前面での再結合がかなり発生すると、QE の「青色」部分に影響します。同様に、低エネルギー (緑色) 光は太陽電池のバルクで吸収され、拡散長が短いと太陽電池のバルクからの収集確率に影響し、スペクトルの緑色部分の QE が低下します。一般的に、現在市販されている太陽電池は、紫外線と赤外線（それぞれ波長400nm未満と1100nm超）からはあまり電気を生成しません。これらの波長の光はフィルターで除去されるか、セルに吸収されてセルを加熱します。その熱は無駄なエネルギーであり、セルを損傷する可能性があります。^[4]

量子効率 (QE) は、光検出器またはピクセルの光電流に寄与する光子束の割合です。量子効率は、検出器の品質を評価するために使用される最も重要なパラメータの 1 つであり、波長依存性を反映するためにスペクトル応答と呼ばれることがよくあります。これは、入射光子ごとに生成される信号電子の数として定義されます。場合によっては、100% を超えることもあります (つまり、入射光子ごとに 1 つ以上の電子が生成される場合)。

従来のEQE測定では、デバイス全体の効率がわかります。しかし、デバイスの広い範囲にわたるEQEマップがあると便利なことがよくあります。このマッピングは、サンプルの均一性や欠陥を視覚化する効率的な方法を提供します。これは、ハイパースペクトルイメージャーで取得した電界発光測定からEQEマッピングを計算した、太陽光発電研究開発研究所（IRDEP）の研究者によって実現されました。^{[5] [6]}

スペクトル応答性も同様の測定ですが、単位が異なります。アンペア/ワット(A/W) (つまり、入射光パワーの単位あたりにデバイスから出力される電流量)。^[7]応答性は通常、単色光 (つまり、単一波長の光) に対して指定されます。^[要出典]量子効率と応答性はどちらも光子の波長 (下付き文字 λ で示される) の関数です。

応答性（Rλ、単位はA/W）をQEλ[8]（0～1のスケール）に変換するには、次_の^ようにします。λ _は nm単位の波長、hはプランク定数、cは真空中の光速、eは素電荷です。単位W/A（ワット/アンペア）はV（ボルト）と同等であることに注意してください。 $${\displaystyle QE_{\lambda }={\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}\times {\frac {hc}{e}}\approx {\frac {R_{\lambda }}{\lambda }}{\times }(1240\;\mathrm {W\cdot {nm}/A} )}$$

$${\displaystyle QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}}$$ ここで= 生成された電子の数、= 吸収された光子の数。 ${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle N_{\nu }}$$${\displaystyle {\frac {N_{\nu }}{t}}=\Phi _{o}{\frac {\lambda }{hc}}}$$

空乏層で吸収された各光子が有効な電子正孔対を生成し、他のすべての光子は生成しないと仮定します。 ここで、tは測定時間 (秒単位)、 = 入射光パワー (ワット単位)、 = 空乏層で吸収された光パワー (ワット単位) です。 $${\displaystyle {\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}}$$${\displaystyle \Phi _{o}}$${\displaystyle \Phi _{\xi }}$

• カウント効率
• DQE（イメージング）
• 太陽電池の効率