Quanteneffizienz (QE) in der Photometrie, Detektoren & Optoelektronik

Die Quanteneffizienz (QE) ist eine grundlegende Kennzahl in der Photonik, Optoelektronik und Bildgebung. Sie beschreibt, wie effizient ein Gerät einfallende Photonen in einen messbaren Ausgang umwandelt – sei es ein elektrisches Signal oder ausgesandtes Licht. Die QE ist entscheidend für die Bewertung der Empfindlichkeit, Energieumwandlung und Gesamtwirksamkeit von Photodetektoren, Solarzellen, LEDs, Lasern und Einzelphotonenzählern.

Definition und allgemeine Gleichung

Die Quanteneffizienz ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der Ausgangsereignisse (wie Elektronen, Löcher oder emittierte Photonen) zur Anzahl der einfallenden Photonen. Sie wird üblicherweise als Prozentsatz angegeben:

[ \text{QE} = \frac{\text{Anzahl der Ausgangsereignisse}}{\text{Anzahl der einfallenden Photonen}} \times 100% ]

Die QE gibt einen direkten Aufschluss über die Photon-zu-Signal-Umwandlungsfähigkeit eines Geräts und beeinflusst alles von der Empfindlichkeit von Schwachlichtkameras bis zur Effizienz von Solarmodulen.

Quanteneffizienz bei Photodetektoren

Photodetektoren – einschließlich Photodioden, CCDs und CMOS-Bildsensoren – sind auf eine hohe QE angewiesen, um starke, rauscharme Signale zu erzielen. In diesen Geräten wird die QE typischerweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen (ergibt eine spektrale QE-Kurve):

[ \text{QE}(\lambda) = \frac{\text{Gesammelte Elektronen bei } \lambda}{\text{Einfallende Photonen bei } \lambda} \times 100% ]

• Siliziumdetektoren können mit optimierten Antireflexbeschichtungen und Rückseitenbeleuchtung eine QE von über 90 % im sichtbaren Bereich erreichen.
• CCDs & CMOS-Sensoren: Wissenschaftliche, rückbeleuchtete CCDs erreichen Spitzen-QE-Werte von bis zu 95 %. CMOS-Sensoren nutzen Mikrolinsenarrays, um die effektive QE zu erhöhen.
• Photomultiplier (PMTs) haben oft eine niedrigere QE (<30 %), abhängig vom Photokathodenmaterial und der Wellenlänge.

Empfindlichkeit (Ausgangsstrom pro optischer Leistung, A/W) steht in engem Zusammenhang mit der QE, wobei die Energie der Photonen bei jeder Wellenlänge berücksichtigt wird. Detektivische Quanteneffizienz (DQE) erweitert diesen Begriff, indem sie das Rauschen einbezieht und die Gesamtqualität von Bildgebungssystemen bewertet.

Typische Quanteneffizienz-Kurve einer Silizium-Photodiode, die die starke Wellenlängenabhängigkeit zeigt.

Anwendungen

Photodetektoren mit hoher QE sind unerlässlich für:

• Wissenschaftliche Bildgebung (Astronomie, Mikroskopie)
• Überwachung bei schwachem Licht
• Fluoreszenznachweis
• Industrielle Sensorik

Konstruktionsaspekte

• Rückseitenbeleuchtung entfernt lichtblockierende Strukturen auf der Vorderseite und steigert die QE – besonders im UV- und Blaubereich.
• Antireflexbeschichtungen und Mikrolinsen minimieren Photonverluste und leiten mehr Licht in aktive Bereiche.

Photonendetektionseffizienz (PDE) bei Einzelphotonenzählern

Für Einzelphotonenlawinendioden (SPADs), Silizium-Photomultiplier (SiPMs) und verwandte Detektoren wird der analoge Begriff Photonendetektionseffizienz (PDE) verwendet:

[ \text{PDE} = \frac{\text{Anzahl der registrierten Photonereignisse}}{\text{Anzahl der einfallenden Photonen}} \times 100% ]

Die PDE umfasst nicht nur die QE, sondern auch die Lawinenauslösewahrscheinlichkeit, den Füllfaktor (Anteil der photosensitiven Fläche) und Totzeiteffekte. Eine hohe PDE ist entscheidend in Anwendungen wie Quantenoptik, LIDAR und zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung (TCSPC).

Quanteneffizienz bei LEDs und Lasern

Interne vs. externe Quanteneffizienz

• Interne QE (IQE): Anteil der injizierten Ladungsträger (Elektronen/Löcher), die strahlend rekombinieren: [ \text{IQE} = \frac{\text{Intern erzeugte Photonen}}{\text{Injizierte Elektronen}} \times 100% ]
• Externe QE (EQE): Anteil der Elektronen, die zu emittierten Photonen aus dem Bauteil führen: [ \text{EQE} = \text{IQE} \times \text{Extraktionseffizienz} ] Die Extraktionseffizienz berücksichtigt, wie viele Photonen das Bauteil verlassen (z. B. Überwindung der Totalreflexion).

Beispiel: Eine blaue GaN-LED mit einer IQE von 85 % und einer Extraktionseffizienz von 40 % ergibt eine EQE von 34 %.

Laser

Bei Lasern kann die Pump-Quanteneffizienz in Materialien mit Energietransfer (z. B. thuliumdotierte Fasern) über 100 % liegen, wenn ein absorbiertes Photon mehrere Ausgangsphotonen erzeugt.

Quanteneffizienz bei Solarzellen

Die Leistung von Solarzellen wird durch externe (EQE) und interne Quanteneffizienz (IQE) charakterisiert:

[ \text{EQE}(\lambda) = \frac{\text{Gesammelte Ladungsträger bei } \lambda}{\text{Einfallende Photonen bei } \lambda} \times 100% ] [ \text{IQE}(\lambda) = \frac{\text{Gesammelte Ladungsträger bei } \lambda}{\text{Absorbierte Photonen bei } \lambda} \times 100% ]

EQE-Spektren zeigen Leistungs- und Verlustquellen (Reflexion, unvollständige Absorption, Rekombination) auf und helfen bei der Entwicklung hocheffizienter Solarzellen, einschließlich Mehrfach- und Dünnschichtzellen.

Externe Quanteneffizienz (EQE) einer Silizium-Solarzelle in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Faktoren, die die Quanteneffizienz beeinflussen

• Wellenlänge & Bandlücke: Die QE ist maximal, wenn die Photonenergie die Bandlücke des Materials übersteigt, nimmt aber bei längeren Wellenlängen wegen abnehmender Absorption ab.
• Oberflächenreflexion: Antireflexbeschichtungen (ARCs) minimieren Photonverluste an der Oberfläche.
• Gerätearchitektur: Rückseitenbeleuchtung und Mikrooptiken (z. B. Mikrolinsen) erhöhen die QE durch bessere Photonenerfassung.
• Temperatur: Beeinflusst Ladungsträgermobilität, Rekombination und Rauschen – und damit QE und SNR.
• Totzeit & Füllfaktor: Bei Photonenzählern begrenzen die Totzeit nach jedem Ereignis und der Füllfaktor (Anteil der photosensitiven Fläche) die effektive QE/PDE.
• Optische Fenster/Verkapselungen: Nicht optimal angepasste Materialien oder Beschichtungen können Photonen absorbieren oder reflektieren und so die System-QE verringern.

Sonderfall: Quanteneffizienz >100 %

In seltenen Fällen, etwa bei bestimmten Faserlasern, kann die QE durch Energietransferprozesse (z. B. Kreuzrelaxation in thuliumdotierten Fasern) über 100 % liegen. Hier kann ein einziges hochenergetisches Photon zur Emission von zwei oder mehr Photonen niedrigerer Energie führen.

Verwandte Begriffe

Messung der Quanteneffizienz

• Absolute QE wird durch kalibrierten Photonfluss und Geräteausschlag zur Bestimmung der echten Umwandlungseffizienz ermittelt.
• Relative QE vergleicht das Gerät mit einer Referenz mit bekannter QE.
• Pixelweise QE ist bei Bildsensor-Arrays wichtig, da räumliche Unterschiede die Bildqualität beeinflussen können.

Die Messung erfolgt durch Beleuchtung des Geräts mit monochromatischem, kalibriertem Licht und Aufzeichnung des Ausgangssignals (Ladung, Strom oder Zählungen), wonach die QE für jede Wellenlänge berechnet wird.

Praxisbeispiele

• Wissenschaftliche CCD-Kamera: Rückbeleuchtete CCDs erreichen bis zu 95 % QE im sichtbaren Bereich für Astronomie oder Schwachlichtbildgebung.
• SPAD-Array: Einzelphotonendetektoren mit etwa 45 % PDE bei 550 nm werden für Fluoreszenz-Lebensdauerbildgebung und Quantenoptik eingesetzt.
• Solarzelle: Siliziumzellen erreichen maximale EQE von 92 % bei 700 nm – entscheidend für effiziente Solarenergieumwandlung.
• LED: Blaue GaN-LEDs mit hoher IQE und optimierter Lichtextraktion erzielen hohe EQE für helle Displays und Beleuchtung.
• Thuliumdotierter Laser: Quanteneffizienz nahe 200 % durch Kreuzrelaxation, ermöglicht hocheffiziente Infrarot-Laseremission.

Erweiterte Hinweise

Detektivische Quanteneffizienz (DQE)

Die DQE bewertet das Gesamtvermögen eines Bildgebungssystems, das Signal-Rausch-Verhältnis unter Berücksichtigung der Quanteneffizienz und von Rauschquellen zu erhalten. Sie ist besonders in der wissenschaftlichen, medizinischen und Röntgenbildgebung wichtig.

Quantendefekt

Der Quantendefekt quantifiziert den Energieverlust in Lasern zwischen absorbierten (Pump-) und emittierten (Signal-) Photonen:

[ \text{Quantendefekt} = 1 - \frac{\lambda_{\text{Signal}}}{\lambda_{\text{Pump}}} ]

Ein kleinerer Quantendefekt bedeutet eine höhere Energieumwandlungseffizienz und geringere Wärmeverluste.

Die Quanteneffizienz ist die Grundlage für die Leistung nahezu aller photonischen und optoelektronischen Geräte. Durch das Verständnis und die Optimierung der QE können Ingenieure und Wissenschaftler Systeme mit höherer Empfindlichkeit, Effizienz und Informationsqualität entwickeln – und damit Fortschritte in Bildgebung, Sensorik, Beleuchtung und Energieumwandlung ermöglichen.