光譜響應/量子效率/IPCE之簡介

光譜響應/量子效率/IPCE之簡介

光譜響應 (Spectral Responsivity, SR) 是評價光輻射偵測元件(如光偵測器、光度計、太陽能電池等等)光電轉換能力的指標,也就是入射光子-電子轉換的效率(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, IPCE)。例如,太陽能電池也是將光轉換為電能的一種光電元件,所以光譜響應也是評價其轉換效率的重要指標。

光譜響應可寫為:


其中,P(λ )為各波長入射光能量,以瓦特(Watt)為單位 I(λ )為太陽能電池收到入射光後轉換成的電流,以安培(Amp)為單位。其物裡意義為:太陽能電池接收一瓦特的光能可產生多少安培電流的能力。

譜響應SR(λ )亦可稱為量子效率QE(λ(Quantum Efficiency, QE)IPCE (Incident Photon-Electron Conversion Efficiency, 入射光子-電子轉換效率)。將波長(λ)的入射光能量轉換成光子數目,而電池產生、傳遞到外部電路的電流換算成電子數,則光譜響應可代表每一入射的光子能夠轉換成傳輸到外部電路的電子的能力,稱為量子效率(Quantum Efficiency, QE)單位以百分比來表示。這也可稱為入射光子-電子轉換效率IPCE

圖一)太陽能電池光譜響應/量子效率/IPCE原理示意圖


光譜響應 P(λ ) 與量子效率 QE(λ ) 的換算可寫成下式:

其中 為電子電量 為譜郎克常數 為光子頻率 λ  為入射光波長(以 nm 為單位)

改寫上式即可得量子效率 QE(λ )


(圖二) 光譜響應與量子效率的轉換

光譜響應反應了太陽能電池對不同波長的光電轉換效率,而太陽能電池轉換效率的好壞,受到了電池本身材料、製程、結構等因素影響,使其不同波長有不同的轉換效率。利用光譜響應技術來檢測、分析電池在不同條件下,所造成轉換效率的變化,可以分析製程的優劣,並找出相關提高效率的關鍵因素。

圖三)不同製程條件下太陽能電池光譜響應與AM1.5G的示意圖

圖三為兩矽晶電池A、B經過兩種製程後所測得的光譜響應AB由光譜響應結果可以得知A電池的效率較高,主要是因為在700~1100 nm波段的轉換效率高於B池,所貢獻短路電流較B電池高0.897 mA/cm^2但在300~500 nmA的效率略低於B電池,短路電流密度較B電池低0.675 mA/cm^2因此A電池整體短路電流密度仍較B電池高了(0.897-0.675)=0.222 mA/cm^2而不同波段代表電池不同層的結構與製程,將於下節中有較詳細的介紹。因此,可針對不同波段反映的結果,去改進A電池在短波長段的製程,以再提升A電池的效率。由光譜響應的結果,可以相當容易的來分析太陽能電池的優劣,作為提升、改善效率的指導方針。