Quantenausbeute

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Die Quantenausbeute (auch Quanteneffizienz oder Fluoreszenzausbeute) beschreibt das Verhältnis zwischen der Anzahl der absorbierten Photonen (Lichtquanten) und einem daraus folgenden Ereignis wie Fluoreszenz oder einer chemischen Reaktion. Meist ist die Quanteneffizienz kleiner als 1.

In der Fluoreszenzspektroskopie gibt die Quantenausbeute eines Fluorophors das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und absorbierten Photonen an. Die Differenz bildet der dazu in Konkurrenz stehende Auger-Effekt. Das Verhältnis von erzeugten Löchern zu erzeugten Photonen bezeichnet man auch als Fluoreszenzausbeute (engl. fluorescence yield). Die Fluoreszenzausbeute wird üblicherweise einer der ursprünglichen Ionisation entsprechenden Schale zugeordnet und ist somit stets kleiner oder gleich Eins. Die gesamte Fluoreszenzausbeute (Summe über alle Schalen bei Kaskadeneffekten) kann in der Konsequenz also auch größer als Eins werden.

Bei Detektoren für Photonen (Photomultiplier; Halbleiterdetektoren wie z. B. Fotodioden und CCDs) gibt die Quantenausbeute an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Elektron durch den photoelektrischen Effekt freigesetzt wird und damit das Photon detektiert werden kann. Bei Solarzellen ist die Quantenausbeute für die Energieausbeute entscheidend.

Bei durch Licht induzierten chemischen Reaktionen ist die Quantenausbeute die Anzahl umgesetzter Moleküle pro Anzahl absorbierter Photonen. Hierbei ist die Quantenausbeute von der Energie des Photons und somit von der Wellenlänge des Lichts (bzw. der elektromagnetischen Strahlung) abhängig. Bei Kettenreaktionen (z. B. Photopolymerisationsreaktionen) kann sie sekundär größer eins werden.

Quanteneffizienz von Fotoempfängern, Leuchtstoffen und Halbleiterlichtquellen[Bearbeiten]

In der Photovoltaik, bei Fotodioden und anderen Fotoempfängern bezeichnet die Quanteneffizienz (QE) bei einer bestimmten Lichtwellenlänge das Verhältnis von Elektronen N_e, die zum Fotostrom beitragen, zur Anzahl der eingestrahlten Photonen N_\nu:

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)}

Dabei ist q die Elementarladung, I der Fotostrom, \Phi_p die Anzahl der Photonen pro Zeit und \Phi_L die Strahlungsleistung.

Entsprechend bezeichnet bei Leucht- und Laserdioden die QE das Verhältnis von ausgesendeten Photonen zur Anzahl von rekombinierenden Elektron-Loch-Paaren und bei Leuchtstoffen das Verhältnis zwischen der Anzahl abgestrahlter Photonen neuer Wellenlänge zu den absorbierten Photonen der Anregungs-Wellenlänge.

Spektrale Empfindlichkeit[Bearbeiten]

Die gleiche Größe, unter anderem bei Fotodioden, Solarzellen oder Fotokathoden in der Einheit Ampere pro Watt gemessen, wird als spektrale Empfindlichkeit (SR - für engl. spectral response) bezeichnet:

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

wobei P(\lambda)=\Phi_p(\lambda)h\nu die Lichtleistung bei einer speziellen Wellenlänge ist.

Der Zusammenhang mit der Quanteneffizienz QE(\lambda) ist:

QE(\lambda)=\frac{SR(\lambda)}{\lambda}\cdot\frac{h c}{q}

Der Faktor hc/q ist 1,239842 \cdot10^{-6} für eine spektrale Empfindlichkeit in A/W und Wellenlänge in m.

Messprinzip[Bearbeiten]

Für die Messung der Quanteneffizienz ist die genaue Kenntnis der (absoluten) eingestrahlten Lichtleistung/Photonenzahl notwendig. Dies wird meist dadurch erreicht, dass ein Messgerät über die bekannte Quanteneffizienz eines (kalibrierten) Vergleichsempfängers, QE_\mathrm{cal}, kalibriert wird. Es gilt dann:

QE = QE_\mathrm{cal} \cdot \frac{I_\mathrm{mes}}{I_\mathrm{cal}}

wobei I_\mathrm{mes} der für die Testzelle gemessene Strom und I_\mathrm{cal} der für die Vergleichszelle gemessene Strom sind.

Messaufbau[Bearbeiten]

Für die Beleuchtung sind eine Lichtquelle (Xenon- und/oder Halogenlampe) und ein Monochromator zur Auswahl von Wellenlängenintervallen notwendig. Als Monochromator kommen Filtermonochromatoren oder Gittermonochromatoren in Frage. Das monochromatische Licht wird möglichst homogen auf die zu testende Empfängerfläche geleitet.

Die Messung des Signals erfolgt oft mit Lock-in-Verstärkern zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses; dafür muss das Lichtsignal mit einem optischen Chopper periodisch moduliert (gepulst) werden.

Quanteneffizienz vs. Quantenausbeute[Bearbeiten]

Es gibt zwei Faktoren, die einen quanteninduzierten Prozess in seiner Effizienz begrenzen:

  1. die Rate der Photonen, die überhaupt wirksam wird (der Rest wird auf andere Weise absorbiert)
  2. der Anteil der Energie des Photons, der übertragen wird (abgesehen von der Multiphotonenabsorption wird nur je ein Photon beteiligt sein): die Energie des emittierten Photons wird um den Stokes-Shift geringer sein als die des eingestrahlten Photons.

Praktische Bedeutung[Bearbeiten]

Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von Fotodioden, Fotokathoden von Fotozellen, Bildverstärkern und Photomultipliers, aber auch von Leuchtstoffen, Faserlasern und anderen (lichtgepumpten) Festkörperlasern von Bedeutung.

Die Quantenausbeute von Fotokathoden kann Werte von über 50 % erreichen. Derzeitige Spitzenwerte sind:

  • Cs2Te bei 213 nm: ~20 %
  • GaAsP um die 460…540 nm: ~50 %
  • GaAs um die 550…720 nm: ~25 %
  • InP-InGaAsP knapp über 1000 nm: ~1 %

Die Quantenausbeute von einkristallinen Fotodioden kann 90 % erreichen; einkristalline Silizium-Fotodioden erreichen bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A/W;[1] Solarzellen erreichen diesen Wert meist nicht - sie sind polykristallin oder amorph, auch ist ihre Effizienz auf einen möglichst breiten Bereich im sichtbaren Spektralbereich (Sonnenlicht) optimiert.

In [2] finden sich Quantenausbeuten von zur Analyse verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen von 2 bis 42 %, die stark von der verwendeten Lösung abhängen. In [3] findet sich ein Wert von 28 % für den Farbstoff Indocarbocyanin bei einer Anregungswellenänge von 678 nm (rot) und einem Fluoreszenz-Maximum bei 703 nm.

Die Quantenausbeute von zu Beleuchtungszwecken verwendeten Leuchtstoffen (CCFL, Leuchtstofflampen, weiße Leuchtdioden) ist nach verschiedenen Quellen nahe 100 %. In [4] sind Quantenausbeuten von 70 bis 90 % bei Anregungswellenlängen von 245 nm (Quecksilberdampf-Gasentladung) und 450 nm (blaue LED) angegeben.

Die Quantenausbeute spielt auch bei der Photosynthese und der Produktivität landwirtschaftlicher Kulturen eine Rolle.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Datenblätter gängiger Fotodioden
  2. Meyer, C.: Dissertation Fluoreszenzfarbstoffe als Proteinaffinitätssonden und Potentialsonden in HTS-Verfahren; Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2004; Seite 90
  3. Untersuchung von Membran-DNA Komplexen in äußeren elektrischen Feldern Versuchsgrundlagen Fluoreszenzanalyse, Uni Heidelberg, Seite 13 (pdf)
  4. H. A. Höppe: Dissertation Optische, magnetische und strukturelle Eigenschaften von Nitridosilicaten, Oxonitridosilicaten und Carbidonitridosilicaten, LMU München 2003, Seite 77 (pdf; 9,2 MB)