Randament cuantic

Randamentul cuantic ( de asemenea , eficiența cuantică sau cuantice eficienta , sau , în special caz randamentul fluorescență ) indică relația dintre cuantele de lumină implicată într - un eveniment care rezultă ( de exemplu , de absorbție a luminii, emisie fluorescenta, o reacție fotochimică a unei molecule, o recombinare a perechilor purtătoare de sarcină, etc.) și evenimentul declanșator (cum ar fi Totalitatea fotonilor disponibili). Randamentul cuantic este comun . ${\ displaystyle \ leqq 1}$

În spectroscopia de fluorescență , randamentul cuantic al unui fluorofor indică raportul dintre numărul de fotoni emiși și absorbiți. Diferența este efectul Auger concurent . Raportul dintre fotonii generați găuri generate trebuie denumit și randament de fluorescență (engl. Randament de fluorescență ). Randamentul fluorescenței este de obicei atribuit unei carcase corespunzătoare ionizării originale și, prin urmare, este întotdeauna mai mică sau egală cu una. Randamentul total al fluorescenței (suma peste toate cochilii în cazul efectelor în cascadă) poate fi, prin urmare, mai mare decât unul.

În detectoarele pentru fotoni ( fotomultiplicator ; detectoare semiconductoare precum fotodiodele și CCD-urile ), randamentul cuantic indică probabilitatea cu care un electron este eliberat de efectul fotoelectric și astfel fotonul poate fi detectat. În celulele solare , randamentul cuantic este decisiv pentru randamentul energetic. Randamentul cuantic depinde de lungimea de undă sau de frecvență.

Randamentul cuantic este, de asemenea, o măsură a productivității unei reacții foto . În cazul reacțiilor chimice induse de lumină, randamentul cuantic este numărul de molecule convertite pe numărul de fotoni absorbiți. Randamentul cuantic este dependentă de energia fotonilor și deci pe lungimea de undă a luminii (sau radiația electromagnetică ). În cazul reacțiilor în lanț (de exemplu, reacțiile de fotopolimerizare ) poate fi mai mare decât una secundară.

Eficiența cuantică a fotoreceptorilor, fosforilor și surselor de lumină semiconductoare

În fotovoltaic , cu fotodioduri și alți fotoreceptoare , eficiența cuantică (QE) descrie raportul de electroni care contribuie la fotocurent la numărul de fotoni iradiați la o anumită lungime de undă a luminii : ${\ displaystyle N_ {e}}$ ${\ displaystyle N _ {\ nu}}$

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

Aici este sarcina elementară , fotoelectric , numărul de fotoni pe timp și puterea de radiații . ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle \ Phi _ {p}}$${\ displaystyle \ Phi _ {L}}$

În mod corespunzător, în cazul diodelor emițătoare de lumină și a diodelor laser, QE denotă raportul fotonilor emiși la numărul de perechi recombinate de găuri electronice și, în cazul fosforilor, raportul dintre numărul de fotoni emiși ai unei noi lungimi de undă la fotonii absorbiți ai lungimii de undă de excitație.

Sensibilitate spectrală

Aceeași cantitate, măsurată printre altele în fotodiodele, celulele solare sau fotocatozii din unitățile amperi pe watt, se numește sensibilitate spectrală (SR - pentru răspunsul spectral ):

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

unde ieșirea luminii este la o anumită lungime de undă. ${\ displaystyle P (\ lambda) = \ Phi _ {p} (\ lambda) h \ nu}$

Relația cu eficiența cuantică este: ${\ displaystyle QE (\ lambda)}$

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

Factorul este pentru o sensibilitate spectrală în A / W și lungimea de undă în m. ${\ displaystyle hc / q}$${\ displaystyle 1 {,} 239842 \ cdot 10 ^ {- 6}}$

Principiul de măsurare

Este necesară cunoașterea precisă a puterii de lumină (absolute) iradiate / numărului de fotoni pentru a măsura eficiența cuantică. Acest lucru se realizează de obicei prin calibrarea unui dispozitiv de măsurare utilizând eficiența cuantică cunoscută a unui receptor de comparație (calibrat) ,,. Atunci se aplică următoarele: ${\ displaystyle QE _ {\ mathrm {cal}}}$

${\ displaystyle QE = QE _ {\ mathrm {cal}} \ cdot {\ frac {I _ {\ mathrm {mes}}} {I _ {\ mathrm {cal}}}}$

unde sunt curentul măsurat pentru celula de testare și curentul măsurat pentru celula de comparație. ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {mes}}}$${\ displaystyle I _ {\ mathrm {cal}}}$

Configurare măsurare

Pentru iluminare sunt necesare o sursă de lumină ( lampă cu xenon și / sau halogen ) și un monocromator pentru selectarea intervalelor de lungime de undă. Monocromatoarele cu filtru sau monocromatoarele cu grătar pot fi utilizate ca monocromatoare. Lumina monocromatică este direcționată cât mai omogen posibil pe suprafața receptorului de testat.

Semnalul este adesea măsurat folosind amplificatoare de blocare pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot ; pentru aceasta, semnalul luminos trebuie să fie modulat periodic (pulsat) cu un tocător optic .

Eficiență cuantică vs. randament cuantic

Există doi factori care limitează un proces indus cuantic în eficiența sa:

1. rata fotonilor care intră efectiv în efect (restul este absorbit într-un mod diferit)
2. proporția de energie a fotonului care este transmisă (în afară de absorbția multiphotonului , va fi implicat un singur foton): energia fotonului emis va fi mai mică prin deplasarea Stokes decât cea a fotonului incident.

Sens practic

Randamentul cuantic este important pentru caracterizarea fotodiode , fotocatozii de fotocelule , intensificatoare de imagini și fotomultiplicatori , dar , de asemenea , de fosforescente , lasere cu fibre și alte (lumina-pompat) lasere cu semiconductori .

Randamentul cuantic al fotocatozilor poate atinge valori de peste 50%. Valorile de vârf actuale sunt:

• Cs ₂ Te la 213 nm: ~ 20%
• GaAsP în jur de 460 ... 540 nm: ~ 50%
• GaAs în jur de 550 ... 720 nm: ~ 25%
• InP - InGaAsP puțin peste 1000 nm: ~ 1%

Randamentul cuantic al fotodiodelor cu un singur cristal poate ajunge la 90%; Fotodiodele de siliciu monocristalin ating o sensibilitate spectrală de aproximativ 0,5 A / W la lungimea de undă de recepție optimă în jur de 900 nm; Celulele solare nu ating de obicei această valoare - sunt policristaline sau amorfe, iar eficiența lor este optimizată pentru cea mai largă gamă posibilă din gama spectrală vizibilă (lumina soarelui).

Randamentele cuantice ale coloranților fluorescenți utilizați pentru analiză sunt de la 2 la 42%, care depind puternic de soluția utilizată. Indocarbocianina colorantă are o valoare de 28% la o lungime de undă de excitație de 678 nm (roșu) și o fluorescență maximă la 703 nm.

Randamentul cuantic al fosforilor folosiți în scopuri de iluminat ( lămpi fluorescente cu catod rece (CCFL) , lămpi fluorescente , diode emițătoare de lumină albă ) este aproape de 100% în funcție de diferite surse. Potrivit lui Henning Höppe, există randamente cuantice de 70 până la 90% la lungimi de undă de excitație de 253,65 nm (descărcare de vapori de mercur vapori) și 450 nm (LED albastru).

Randamentul cuantic joacă, de asemenea, un rol în fotosinteză și în productivitatea culturilor agricole.

Vezi si

• Simulator de soare
• Fotovoltaic

Dovezi individuale

1. ↑ eficiența cuantică
2. ↑ Eberhard Breitmaier: chimie organică. Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-135-41505-5 , p. 554 ( previzualizare limitată în căutarea de carte Google).
3. ↑ Fișe tehnice pentru fotodiodele obișnuite
4. ↑ Cord Meyer : Coloranți fluorescenți ca sonde de afinitate proteică și probe potențiale în metode HTS, disertație la Universitatea Heinrich Heine , Düsseldorf 2004, p. 90. DNB 973929472 .
5. ↑ Investigația complexelor membrană-ADN în câmpuri electrice externe , bază experimentală pentru analiza fluorescenței, Universitatea Heidelberg, p. 13 (PDF).
6. ↑ Henning Alfred Höppe : Proprietăți optice, magnetice și structurale ale nitridosilicaților, oxonitridosilicaților și carbidonitridosilicaților , disertație Universitatea din München 2003, p. 77 ( online - PDF, 328 pagini, 9,2 MB ).
7. ^ Paras N. Prasad: Nanophotonics . John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-67024-3 , pp. 167 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book).