Quantenwirkungsgrade

Quantenwirkungsgrad (Quantenwirkungsgrad) bezeichnet das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zu der Anzahl der eingestrahlten Photonen in einem optischen oder fotochemischen Prozess. Er dient als Maß für die Effizienz der Licht-Nutzungsumwandlung und wird in Bereichen wie Photodetektion, Photochemie, Leuchtquellen sowie in der Photovoltaik verwendet. Je nach Anwendungsfall kann der Quantenwirkungsgrad unterschiedliche physikalische Größen beschreiben, etwa die Bildung von Ladungsträgern oder die Emission von Photonen.

Man unterscheidet typischerweise externe und interne Quantenwirkungsgrade. Der externe Quantenwirkgrad EQE(λ) gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Photonen bei einer Wellenlänge λ letztendlich einen nutzbaren Ladungsträgerstrom erzeugt. Der interne Quantenwirkungsgrad IQE(λ) bezieht sich auf den Teil der absorbierten Photonen, der tatsächlich Ladungsträger erzeugt; IQE ist damit unabhängig von Reflexionen und optischen Verlusten. Oft gilt IQE = erzeugte Carrier / absorbierte Photonen, und EQE(λ) wird nahegelegt als EQE(λ) ≈ IQE(λ) × Absorptanz(λ).

Anwendungen: In Solarzellen strebt man hohe EQE über das Spektrum an. In Photodetektoren charakterisieren EQE- und IQE-Werte die Empfindlichkeit. In LEDs ist der innere Wirkungsgrad von großem Interesse, während der externe Wirkungsgrad zusätzlich Auskoppelverluste umfasst. In der Photochemie beschreibt der Quantenwirkungsgrad, wie effizient Photonen in gewünschte chemische oder molekulare Reaktionen überführt werden.

Messung: EQE wird typischerweise durch Messung des Photostroms bei bekannten Photonendichten mit Kalibrierung und Integrationskugel bestimmt. IQE erfordert zusätzlich Informationen über die Absorption des Materials; oft wird Absorption separat gemessen oder modelliert. Weitere Methoden nutzen Elektrooptik oder Spektralanalysen, um Beziehungen zwischen Lichtabsorption, Lichtauskopplung und Ladungsträgererzeugung zu untersuchen.

Einflussfaktoren: Materialqualität, Rekombination, Oberflächen- und Kontaktverluste, Lichtauskopplung, Reflexion und optische Verluste. Optimierung erfolgt durch passivierende Schichten, bessere Lichtführung und geeignete Heterostrukturen.