Quantenausbeute

In der Photovoltaik, bei Photodioden und anderen Photoempfängern bezeichnet die Quanteneffizienz (QE) bei einer bestimmten Lichtwellenlänge das Verhältnis von Elektronen ${\displaystyle N_{e}}$ , die zum Photostrom beitragen, zur Anzahl der eingestrahlten Photonen ${\displaystyle N_{\nu }}$ :

${\displaystyle QE(\lambda )={\frac {N_{e}}{N_{\nu }(\lambda )}}={\frac {I}{q\cdot \Phi _{p}(\lambda )}}={\frac {h\cdot f\cdot I}{q\cdot \Phi _{L}(\lambda )}}}$ 

Dabei ist ${\displaystyle q}$  die Elementarladung, ${\displaystyle I}$  der Photostrom, ${\displaystyle \Phi _{p}}$  die Anzahl der Photonen pro Zeit und ${\displaystyle \Phi _{L}}$  die Strahlungsleistung.

Entsprechend bezeichnet bei Leucht- und Laserdioden die QE das Verhältnis von ausgesendeten Photonen zur Anzahl von rekombinierenden Elektron-Loch-Paaren und bei Leuchtstoffen das Verhältnis zwischen der Anzahl abgestrahlter Photonen neuer Wellenlänge zu den absorbierten Photonen der Anregungs-Wellenlänge.

Die gleiche Größe, unter anderem bei Photodioden, Solarzellen oder Photokathoden in der Einheit Ampere pro Watt gemessen, wird als spektrale Empfindlichkeit (SR – für engl. spectral response) bezeichnet:

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

wobei ${\displaystyle P(\lambda )=\Phi _{p}(\lambda )h\nu }$  die Lichtleistung bei einer speziellen Wellenlänge ist.

Der Zusammenhang mit der Quanteneffizienz ${\displaystyle QE(\lambda )}$  ist:

${\displaystyle QE(\lambda )={\frac {SR(\lambda )}{\lambda }}\cdot {\frac {hc}{q}}}$ 

Der Faktor ${\displaystyle hc/q}$  ist ${\displaystyle 1{,}239842\cdot 10^{-6}}$  für eine spektrale Empfindlichkeit in A/W und Wellenlänge in m.

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 eines (kalibrierten) Vergleichsempfängers, ${\displaystyle QE_{\mathrm {cal} }}$ , kalibriert wird. Es gilt dann:

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

wobei ${\displaystyle I_{\mathrm {mes} }}$  der für die Testzelle gemessene Strom und ${\displaystyle I_{\mathrm {cal} }}$  der für die Vergleichszelle gemessene Strom sind.

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 möglichst homogen auf die zu testende Empfängerfläche geleitet.

Die Messung des Signals erfolgt oft mit Lock-in-Verstärkern zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses; dafür muss das Lichtsignal mit einem optischen Chopper periodisch moduliert (gepulst) werden.

Es gibt zwei Faktoren, die einen quanteninduzierten Prozess in seiner Effizienz begrenzen:

1. die Rate der Photonen, die überhaupt wirksam wird (der Rest wird auf andere Weise absorbiert)
2. der Anteil der Energie des Photons, der übertragen wird (abgesehen von der Multiphotonenabsorption wird nur je ein Photon beteiligt sein): die Energie des emittierten Photons wird um den Stokes-Shift geringer sein als die des eingestrahlten Photons.

Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von Photodioden, Photokathoden von Photozellen, Bildverstärkern und Photomultipliers, aber auch von Leuchtstoffen, Faserlasern und anderen (lichtgepumpten) Festkörperlasern von Bedeutung.

Die Quantenausbeute von Photokathoden kann Werte von über 50 % erreichen. Derzeitige Spitzenwerte sind:

• Cs₂Te bei 213 nm: ~20 %
• GaAsP um die 460…540 nm: ~50 %
• GaAs um die 550…720 nm: ~25 %
• InP-InGaAsP knapp über 1000 nm: ~1 %

Die Quantenausbeute von einkristallinen Photodioden kann 90 % erreichen; einkristalline Silizium-Photodioden erreichen bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A/W;^[3] Solarzellen erreichen diesen Wert meist nicht – sie sind polykristallin oder amorph, auch ist ihre Effizienz auf einen möglichst breiten Bereich im sichtbaren Spektralbereich (Sonnenlicht) optimiert.

Es finden sich Quantenausbeuten von zur Analyse verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen von 2 bis 42 %, die stark von der verwendeten Lösung abhängen.^[4] Der Farbstoff Indocarbocyanin weist bei einer Anregungswellenlänge von 678 nm (rot) und einem Fluoreszenz-Maximum bei 703 nm einen Wert von 28 % auf.^[5]

Die Quantenausbeute von zu Beleuchtungszwecken verwendeten Leuchtstoffen (Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFL), Leuchtstofflampen, weiße Leuchtdioden) ist nach verschiedenen Quellen nahe 100 %. Nach Henning Höppe gibt es Quantenausbeuten von 70 bis 90 % bei Anregungswellenlängen von 253,65 nm (Quecksilberdampf-Gasentladung) und 450 nm (blaue LED).^[6][7]

Die Quantenausbeute spielt auch bei der Photosynthese und der Produktivität landwirtschaftlicher Kulturen eine Rolle.

• Sonnensimulator
• Photovoltaik

1. ↑ Quantenwirkungsgrad
2. ↑ Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-135-41505-5, S. 554 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
3. ↑ Datenblätter gängiger Photodioden
4. ↑ Cord Meyer: Fluoreszenzfarbstoffe als Proteinaffinitätssonden und Potentialsonden in HTS-Verfahren, Dissertation an der Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf 2004, S. 90. DNB 973929472.
5. ↑ Untersuchung von Membran-DNA Komplexen in äußeren elektrischen Feldern, Versuchsgrundlagen Fluoreszenzanalyse, Universität Heidelberg, S. 13 (PDF).
6. ↑ Henning Alfred Höppe: Optische, magnetische und strukturelle Eigenschaften von Nitridosilicaten, Oxonitridosilicaten und Carbidonitridosilicaten, Dissertation Universität München 2003, S. 77 (online - PDF, 328 Seiten, 9,2 MB).
7. ↑ Paras N. Prasad: Nanophotonics. John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-67024-3, S. 167 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).