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Die '''Quantenausbeute''' (auch '''Quanteneffizienz''' oder im speziellen Fall '''Fluoreszenzausbeute''') gibt das Verhältnis zwischen | Die '''Quantenausbeute''' (auch '''Quanteneffizienz''' oder '''Quantenwirkungsgrad'''<ref>[https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/d3456946-2/*/*/Quantenwirkungsgrad.html?op=Wiki.getwiki&scope=all&search=Meeresenergie Quantenwirkungsgrad]</ref>; oder im speziellen Fall '''Fluoreszenzausbeute''') gibt das Verhältnis zwischen beteiligten Lichtquanten bei einem resultierenden Ereignis (etwa Lichtabsorption, Fluoreszenzemission, eine photochemische Reaktion eines Moleküls, eine Rekombination von Ladungsträgerpaaren usw.) und dem auslösenden Ereignis (wie die Gesamtheit der dafür zur Verfügung gestandenen Photonen) an. Die Quantenausbeute ist üblicherweise <math>\leqq1</math>. | ||
In der [[Fluoreszenzspektroskopie]] gibt die | In der [[Fluoreszenzspektroskopie]] gibt die Quantenausbeute eines [[Fluorophor]]s 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]]; [[Halbleiterdetektor]]en wie z. B. [[ | Bei Detektoren für Photonen ([[Photomultiplier]]; [[Halbleiterdetektor]]en wie z. B. [[Photodiode]]n und [[CCD-Sensor|CCDs]]) gibt die Quantenausbeute an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein [[Elektron]] durch den [[photoelektrischer Effekt|photoelektrischen Effekt]] freigesetzt wird und damit das Photon detektiert werden kann. Bei [[Solarzelle]]n ist die Quantenausbeute für die Energieausbeute entscheidend. Die Quantenausbeute ist jeweils abhängig von der Wellenlänge bzw. Frequenz. | ||
Bei durch Licht induzierten chemischen Reaktionen ist die Quantenausbeute die Anzahl umgesetzter [[Molekül]]e pro Anzahl absorbierter Photonen. Hierbei ist die Quantenausbeute von der Energie des Photons und somit von der [[Wellenlänge]] des [[Licht]]s (bzw. der [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Strahlung]]) abhängig. Bei [[Kettenreaktion (Chemie)| | Die Quantenausbeute ist auch ein Maß für die Ergiebigkeit einer [[Photochemie|Photoreaktion]]<ref>[[Eberhard Breitmaier]], [[Günther Jung]]: ''Organische Chemie.'' Georg Thieme Verlag, 2005, ISBN 978-3-135-41505-5, S. 554 ({{Google Buch |BuchID=Ld-AGnffxXIC |Seite=554}}).</ref>. Bei durch Licht induzierten chemischen Reaktionen ist die Quantenausbeute die Anzahl umgesetzter [[Molekül]]e pro Anzahl absorbierter Photonen. Hierbei ist die Quantenausbeute von der Energie des Photons und somit von der [[Wellenlänge]] des [[Licht]]s (bzw. der [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Strahlung]]) abhängig. Bei [[Kettenreaktion (Chemie)|Kettenreaktionen]] (z. B. [[Photopolymerisation]]sreaktionen) kann sie sekundär größer eins werden. | ||
== Quanteneffizienz von | == Quanteneffizienz von Photoempfängern, Leuchtstoffen und Halbleiterlichtquellen == | ||
In der [[Photovoltaik]], bei [[ | In der [[Photovoltaik]], bei [[Photodiode]]n und anderen [[Photoempfänger]]n bezeichnet die Quanteneffizienz (QE) bei einer bestimmten [[Wellenlänge|Lichtwellenlänge]] das Verhältnis von [[Elektron]]en <math>N_e</math>, die zum [[Photostrom]] beitragen, zur Anzahl der eingestrahlten [[Photon]]en <math>N_\nu</math>: | ||
:<math>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)}</math> | :<math>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)}</math> | ||
Dabei ist <math>q</math> die [[Elementarladung]], <math>I</math> der [[ | Dabei ist <math>q</math> die [[Elementarladung]], <math>I</math> der [[Photostrom]], <math>\Phi_p</math> die Anzahl der Photonen pro Zeit und <math>\Phi_L</math> die [[Strahlungsleistung]]. | ||
Entsprechend bezeichnet bei Leucht- und Laserdioden die QE das Verhältnis von ausgesendeten [[Photon]]en zur Anzahl von rekombinierenden Elektron-[[Defektelektron|Loch]]-Paaren und bei Leuchtstoffen das Verhältnis zwischen der Anzahl abgestrahlter Photonen neuer Wellenlänge zu den absorbierten Photonen der Anregungs-Wellenlänge. | Entsprechend bezeichnet bei Leucht- und Laserdioden die QE das Verhältnis von ausgesendeten [[Photon]]en zur Anzahl von rekombinierenden Elektron-[[Defektelektron|Loch]]-Paaren und bei Leuchtstoffen das Verhältnis zwischen der Anzahl abgestrahlter Photonen neuer Wellenlänge zu den absorbierten Photonen der Anregungs-Wellenlänge. | ||
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Für die Beleuchtung sind eine Lichtquelle ([[Xenon-Bogenlampe|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. | Für die Beleuchtung sind eine Lichtquelle ([[Xenon-Bogenlampe|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-Verstärker]]n zur Verbesserung des [[Signal-Rausch-Verhältnis]]ses; dafür muss das Lichtsignal mit einem [[ | Die Messung des Signals erfolgt oft mit [[Lock-in-Verstärker]]n zur Verbesserung des [[Signal-Rausch-Verhältnis]]ses; dafür muss das Lichtsignal mit einem [[Modulator (Optik)#Chopper|optischen Chopper]] periodisch moduliert (gepulst) werden. | ||
== Quanteneffizienz vs. Quantenausbeute == | == Quanteneffizienz vs. Quantenausbeute == | ||
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Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von [[ | Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von [[Photodiode]]n, [[Photokathode]]n von [[Photozelle]]n, [[Bildverstärker]]n und [[Photomultiplier]]s, aber auch von [[Leuchtstoff]]en, [[Faserlaser]]n und anderen (lichtgepumpten) [[Festkörperlaser]]n von Bedeutung. | ||
Die Quantenausbeute von | Die Quantenausbeute von Photokathoden kann Werte von über 50 % erreichen. Derzeitige Spitzenwerte sind: | ||
* Cs<sub>2</sub>Te bei 213 nm: ~20 % | * Cs<sub>2</sub>Te bei 213 nm: ~20 % | ||
* [[Galliumarsenidphosphid|GaAsP]] um die 460…540 nm: ~50 % | * [[Galliumarsenidphosphid|GaAsP]] um die 460…540 nm: ~50 % | ||
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* [[Indiumphosphid|InP]]-[[Indium-Galliumarsenid-Phosphid|InGaAsP]] knapp über 1000 nm: ~1 % | * [[Indiumphosphid|InP]]-[[Indium-Galliumarsenid-Phosphid|InGaAsP]] knapp über 1000 nm: ~1 % | ||
Die Quantenausbeute von einkristallinen | Die Quantenausbeute von einkristallinen Photodioden kann 90 % erreichen; einkristalline Silizium-Photodioden erreichen bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A/W;<ref>Datenblätter gängiger Photodioden</ref> 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. | ||
Es finden sich Quantenausbeuten von zur Analyse verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen von 2 bis 42 %, die stark von der verwendeten Lösung abhängen.<ref>[[Cord Meyer]]: Fluoreszenzfarbstoffe als Proteinaffinitätssonden und Potentialsonden in HTS-Verfahren, [[Dissertation]] an der [[Heinrich-Heine-Universität]], Düsseldorf 2004, S. 90. {{DNB|973929472}}.</ref> Der Farbstoff Indocarbocyanin weist bei einer Anregungswellenlänge von 678 nm (rot) und einem Fluoreszenz-Maximum bei 703 nm einen Wert von 28 % auf.<ref>[http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/volltexte/2002/1935/pdf/05_Grundlagen.pdf ''Untersuchung von Membran-DNA Komplexen in äußeren elektrischen Feldern''], Versuchsgrundlagen Fluoreszenzanalyse, Universität Heidelberg, S. 13 (PDF).</ref> | Es finden sich Quantenausbeuten von zur Analyse verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen von 2 bis 42 %, die stark von der verwendeten Lösung abhängen.<ref>[[Cord Meyer]]: Fluoreszenzfarbstoffe als Proteinaffinitätssonden und Potentialsonden in HTS-Verfahren, [[Dissertation]] an der [[Heinrich-Heine-Universität]], Düsseldorf 2004, S. 90. {{DNB|973929472}}.</ref> Der Farbstoff Indocarbocyanin weist bei einer Anregungswellenlänge von 678 nm (rot) und einem Fluoreszenz-Maximum bei 703 nm einen Wert von 28 % auf.<ref>[http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/volltexte/2002/1935/pdf/05_Grundlagen.pdf ''Untersuchung von Membran-DNA Komplexen in äußeren elektrischen Feldern''], Versuchsgrundlagen Fluoreszenzanalyse, Universität Heidelberg, S. 13 (PDF).</ref> | ||
Die Quantenausbeute von zu Beleuchtungszwecken verwendeten Leuchtstoffen ([[Leuchtröhre|Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFL)]], [[Leuchtstofflampe]]n, weiße [[Leuchtdiode]]n) ist nach verschiedenen Quellen nahe 100 %. Nach [[Henning Höppe]] gibt es Quantenausbeuten von 70 bis 90 % bei Anregungswellenlängen von | Die Quantenausbeute von zu Beleuchtungszwecken verwendeten Leuchtstoffen ([[Leuchtröhre|Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFL)]], [[Leuchtstofflampe]]n, weiße [[Leuchtdiode]]n) ist nach verschiedenen Quellen nahe 100 %. Nach [[Henning Höppe]] gibt es Quantenausbeuten von 70 bis 90 % bei Anregungswellenlängen von 253,65 nm (Quecksilberdampf-Gasentladung) und 450 nm (blaue LED).<ref>[[Henning Höppe|Henning Alfred Höppe]]: ''Optische, magnetische und strukturelle Eigenschaften von Nitridosilicaten, Oxonitridosilicaten und Carbidonitridosilicaten'', [[Dissertation]] [[Uni München]] 2003, S. 77 ([http://edoc.ub.uni-muenchen.de/6972/1/Hoeppe_Henning_A.pdf online - PDF, 328 Seiten, 9,2 MB]).</ref><ref name="Paras N. Prasad">{{Literatur| Autor=Paras N. Prasad | Titel=Nanophotonics | Verlag=John Wiley & Sons | ISBN=0-471-67024-3 | Jahr=2004 | Online={{Google Buch | BuchID=wc7l8rBumg0C | Seite=167 }} | Seiten=167 }}</ref> | ||
Die Quantenausbeute spielt auch bei der [[Photosynthese]] und der Produktivität landwirtschaftlicher Kulturen eine Rolle. | Die Quantenausbeute spielt auch bei der [[Photosynthese]] und der Produktivität landwirtschaftlicher Kulturen eine Rolle. | ||
Die Quantenausbeute (auch Quanteneffizienz oder Quantenwirkungsgrad[1]; oder im speziellen Fall Fluoreszenzausbeute) gibt das Verhältnis zwischen beteiligten Lichtquanten bei einem resultierenden Ereignis (etwa Lichtabsorption, Fluoreszenzemission, eine photochemische Reaktion eines Moleküls, eine Rekombination von Ladungsträgerpaaren usw.) und dem auslösenden Ereignis (wie die Gesamtheit der dafür zur Verfügung gestandenen Photonen) an. Die Quantenausbeute ist üblicherweise $ \leqq 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. Photodioden 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. Die Quantenausbeute ist jeweils abhängig von der Wellenlänge bzw. Frequenz.
Die Quantenausbeute ist auch ein Maß für die Ergiebigkeit einer Photoreaktion[2]. 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.
In der Photovoltaik, bei Photodioden und anderen Photoempfängern bezeichnet die Quanteneffizienz (QE) bei einer bestimmten Lichtwellenlänge das Verhältnis von Elektronen $ N_{e} $, die zum Photostrom beitragen, zur Anzahl der eingestrahlten Photonen $ N_{\nu } $:
Dabei ist $ q $ die Elementarladung, $ I $ der Photostrom, $ \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.
Die gleiche Größe, unter anderem bei Photodioden, Solarzellen oder Photokathoden in der Einheit Ampere pro Watt gemessen, wird als spektrale Empfindlichkeit (SR – für engl. spectral response) bezeichnet:
wobei $ P(\lambda )=\Phi _{p}(\lambda )h\nu $ die Lichtleistung bei einer speziellen Wellenlänge ist.
Der Zusammenhang mit der Quanteneffizienz $ QE(\lambda ) $ ist:
Der Faktor $ hc/q $ ist $ 1{,}239842\cdot 10^{-6} $ für eine spektrale Empfindlichkeit in A/W und Wellenlänge in m.
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:
wobei $ I_{\mathrm {mes} } $ der für die Testzelle gemessene Strom und $ I_{\mathrm {cal} } $ der für die Vergleichszelle gemessene Strom sind.
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.
Es gibt zwei Faktoren, die einen quanteninduzierten Prozess in seiner Effizienz begrenzen:
Die Quantenausbeute ist unter anderem für die Charakterisierung von Photodioden, Photokathoden von Photozellen, Bildverstärkern und Photomultipliers, aber auch von Leuchtstoffen, Faserlasern und anderen (lichtgepumpten) Festkörperlasern von Bedeutung.
Die Quantenausbeute von Photokathoden kann Werte von über 50 % erreichen. Derzeitige Spitzenwerte sind:
Die Quantenausbeute von einkristallinen Photodioden kann 90 % erreichen; einkristalline Silizium-Photodioden erreichen bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A/W;[3] 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.
Es finden sich Quantenausbeuten von zur Analyse verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen von 2 bis 42 %, die stark von der verwendeten Lösung abhängen.[4] Der Farbstoff Indocarbocyanin weist bei einer Anregungswellenlänge von 678 nm (rot) und einem Fluoreszenz-Maximum bei 703 nm einen Wert von 28 % auf.[5]
Die Quantenausbeute von zu Beleuchtungszwecken verwendeten Leuchtstoffen (Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFL), Leuchtstofflampen, weiße Leuchtdioden) ist nach verschiedenen Quellen nahe 100 %. Nach Henning Höppe gibt es Quantenausbeuten von 70 bis 90 % bei Anregungswellenlängen von 253,65 nm (Quecksilberdampf-Gasentladung) und 450 nm (blaue LED).[6][7]
Die Quantenausbeute spielt auch bei der Photosynthese und der Produktivität landwirtschaftlicher Kulturen eine Rolle.