Quanteneffizienz

Die Quantenausbeute (auch Quanteneffizienz) beschreibt das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und absorbierten Photonen (Lichtquanten). In der Regel ist die Quantenausbeute also kleiner oder gleich Eins.

In der Fluoreszenz gibt die Quantenausbeute eines Fluorophors das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und absorbierten Photonen an.

Bei Detektoren für Photonen (Photomultiplier; Halbleiterdetektoren wie z. B. Fotodioden und CCDs) gibt die Quantenausbeute an, mit welcher Wahrscheinlichkeit durch den photoelektrischen Effekt ein Elektron freigesetzt wird und damit das Photon detektiert werden kann. Die Quantenausbeute ist bei Solarzellen für die Energieausbeute entscheidend.

Bei durch Licht induzierten chemischen Reaktionen ist die Quantenausbeute die Anzahl umgesetzter Moleküle pro Anzahl absorbierter Photonen. Hierbei ist die Quantenausbeute von der Energie des Photons und somit von der Wellenlänge des Lichts (bzw. der elektromagnetischen Strahlung) abhängig. Bei Kettenreaktionen (z.B. Photopolymerisationsreaktionen) kann sie demnach größer eins werden.

Quanteneffizienz von Solarzellen (Photovoltaik)

In der Photovoltaik bezeichnet die Quanteneffizienz (QE) bei einer bestimmten Lichtwellenlänge das Verhältnis von Elektronen N_e, die zum Fotostrom beitragen, zur Anzahl der eingestrahlten Photonen N_ν:

$QE(\lambda)=\frac{N_e}{N_\nu(\lambda)}=\frac{I}{q\cdot\Phi_p(\lambda)}$

wobei q [C] die Elementarladung, I [A] den Fotostrom und Φ_p [s ^{− 1}] den Photonenfluss.

Spektrale Empfindlichkeit

Die gleiche Größe in anderen Einheiten [A/W] gemessen wird als spektrale Empfindlichkeit (SR - für spectral response) bezeichnet:

$SR(\lambda)=\frac{I}{P(\lambda)}$

wobei P(λ) = Φ_p(λ)hν [W] die Lichtleistung bei einer speziellen Wellenlänge ist.

Der Zusammenhang mit der Quanteneffizienz QE(λ) ist:

$QE(\lambda)=\frac{SR(\lambda)}{\lambda}\cdot\frac{h c}{q}$

Der Faktor hc / q ist 1.239842 für eine spektrale Empfindlichkeit in mA/W und Wellenlänge in nm.

Messprinzip

Für die Messung der Quanteneffizienz ist die genaue Kenntnis der (absoluten) eingestrahlten Lichtleistung/Photonenzahl notwendig. Dies wird meist dadurch erreicht, dass ein Messgerät über die bekannte Quanteneffizienz einer (kalibrierten) Vergleichszelle, QE_cal, geeicht wird. Es gilt dann:

$QE=QE_{cal}\cdot \frac{I_{mes}}{I_{cal}}$

wobei I_mes der für die Testzelle gemessene Strom und I_cal der für die Vergleichszelle gemessene Strom sind.

Messaufbau

Für die Beleuchtung sind eine Lichtquelle (Xenon- und/oder Halogenlampe) und ein Monochromator zur Auswahl von Wellenlängenintervallen notwendig. Als Monochromator kommen Filtermonochromatoren oder Gittermonochromatoren in Frage. Das monochromatische Licht wird auf die zu testende Zelle fokussiert. Die Messung des Signals erfolgt meist mit Lock-in-Verstärkern zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses; dafür muss das Lichtsignal mit einem Chopper periodisch moduliert (gepulst) werden. Meist wird aufgrund der geringen monochromatischen Lichtintensität das schwache Stromsignal mit einem zwischengeschaltet Vorverstärker mit integriertem Strom-Spannungs-Wandler in eine Spannung konvertiert und verstärkt. Im Steuerungs-PC wird dann die Quanteneffizienz berechnet.

Siehe auch

• Sonnensimulator
• Photovoltaik