光谱响应/量子效率/IPCE之简介

光谱响应/量子效率/IPCE之简介

光谱响应 (Spectral Responsivity, SR) 是评价光辐射侦测元件(如光侦测器、光度计、太阳能电池等等)光电转换能力的指标,也就是入射光子-电子转换的效率(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)。例如,太阳能电池也是将光转换为电能的一种光电元件,所以光谱响应也是评价其转换效率的重要指标。

光谱响应可写为:


其中,P(λ )为各波长入射光能量,以瓦特(Watt)为单位 I(λ )为太阳能电池收到入射光后转换成的电流,以安培(Amp)为单位。其物里意义为:太阳能电池接收一瓦特的光能可产生多少安培电流的能力。

谱响应SR(λ )亦可称为量子效率QE(λ(Quantum Efficiency, QE)IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子-电子转换效率)。将波长(λ)的入射光能量转换成光子数目,而电池产生、传递到外部电路的电流换算成电子数,则光谱响应可代表每一入射的光子能够转换成传输到外部电路的电子的能力,称为量子效率(Quantum Efficiency, QE)单位以百分比来表示。这也可称为入射光子-电子转换效率IPCE

图一)太阳能电池光谱响应/量子效率/IPCE原理示意图


光谱响应 P(λ ) 与量子效率 QE(λ ) 的换算可写成下式:

其中 为电子电量 为谱郎克常数 为光子频率 λ  为入射光波长(以 nm 为单位)

改写上式即可得量子效率 QE(λ )


(图二) 光谱响应与量子效率的转换

光谱响应反应了太阳能电池对不同波长的光电转换效率,而太阳能电池转换效率的好坏,受到了电池本身材料、制程、结构等因素影响,使其不同波长有不同的转换效率。利用光谱响应技术来检测、分析电池在不同条件下,所造成转换效率的变化,可以分析制程的优劣,并找出相关提高效率的关键因素。

图三)不同制程条件下太阳能电池光谱响应与AM1.5G的示意图

图三为两矽晶电池A、B经过两种制程后所测得的光谱响应AB由光谱响应结果可以得知A电池的效率较高,主要是因为在700~1100 nm波段的转换效率高于B池,所贡献短路电流较B电池高0.897 mA/cm^2但在300~500 nmA的效率略低于B电池,短路电流密度较B电池低0.675 mA/cm^2因此A电池整体短路电流密度仍较B电池高了(0.897-0.675)=0.222 mA/cm^2而不同波段代表电池不同层的结构与制程,将于下节中有较详细的介绍。因此,可针对不同波段反映的结果,去改进A电池在短波长段的制程,以再提升A电池的效率。由光谱响应的结果,可以相当容易的来分析太阳能电池的优劣,作为提升、改善效率的指导方针。