量子効率

太陽電池の量子効率には、通常2つのタイプが考慮される。

• 外部量子効率（EQE）とは、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特定のエネルギーの光子の数（入射光子）の比のことです。
• 内部量子効率（IQE）とは、太陽電池が収集する電荷キャリアの数と、外部から太陽電池に照射され、太陽電池に吸収される特定のエネルギーの光子の数との比率のことである。

可視光領域では、内部量子効率（IQE）は常に外部量子効率（EQE）よりも大きくなります。IQEが低いということは、太陽電池の活性層が光子を有効活用できていないことを示しており、これはキャリア収集効率の低さが原因である可能性が高いです。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を推定します。 $${\displaystyle {\text{EQE}}={\frac {\text{電子数/秒}}{\text{光子数/秒}}}={\frac {{\text{(電流)}}/{\text{(電子1個の電荷)}}}{({\text{光子の総出力}})/({\text{光子1個のエネルギー}})}}}$$$${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{電子数/秒}}{\text{吸収光子数/秒}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-反射率-透過率}}}$$

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。光子が吸収されて電子-正孔対が生成されると、これらの電荷は接合部で分離され収集されなければなりません。「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の形状をしており、測定された波長の全スペクトルにわたって QE 値はほぼ一定です。しかし、ほとんどの太陽電池の QE は、電荷キャリアが外部回路に移動できない再結合の影響により低下します。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、前面表面を改質すると、表面付近で生成される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表面層は、「自由キャリア吸収」を引き起こし、長波長で 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) の光は表面のすぐ近くで吸収されるため、前面表面でのかなりの再結合は QE の「青色」部分に影響を与えます。同様に、低エネルギー (緑色) の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バルクからの収集確率に影響を与え、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、紫外線や赤外線（それぞれ波長400nm未満 と1100nm超 ）からはあまり発電しません。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 ]}

従来の EQE 測定では、デバイス全体の効率が得られます。しかし、デバイスの広い領域にわたる EQE のマップがあると便利な場合がよくあります。このマッピングにより、サンプルの均一性や欠陥を視覚化するための効率的な方法が提供されます。これは、ハイパースペクトルイメージャーで取得したエレクトロルミネッセンス測定から EQE マッピングを計算した太陽光発電エネルギー研究開発研究所 (IRDEP) の研究者によって実現されました。^{[ 5 ] [ 6 ]}

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

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すると、 $${\displaystyle {\frac {N_{e}}{t}}=\ファイ _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}}$$ ここで、tは測定時間（秒単位）であり、 $\displaystyle \Phi _{o}}$= 入射光パワー（ワット） $\displaystyle \Phi _{\xi }}$= 空乏層で吸収される光パワー（単位はワット）。