外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）是衡量光电转换器件（如太阳能电池、发光二极管（LED）、光电探测器等）将入射光子转换为输出电子（或光子）能力的关键参数。其核心定义为：单位时间内器件输出的电子（或光子）数与单位时间内入射到器件表面的光子数之比（对于太阳能电池，为光生电子-空穴对数与入射光子数之比；对于LED，为发射到自由空间的光子数与注入电子数之比）。

一、EQE测量的核心原理

EQE的测量本质是通过单色光照射器件，量化不同波长下的光子-电子转换效率。对于任意波长λ，EQE(λ)的计算公式为：

其中：

• $J_{sc}(\lambda )$：波长λ下的短路电流密度（单位：A/m²）；

• $q$：电子电荷（约1.602×10⁻¹⁹ C）；

• $P(\lambda )$：波长λ下的入射光功率（单位：W）；

• $h\nu$：光子能量（$h$为普朗克常数，$\nu$为光的频率）。

对于太阳能电池，$J_{sc}(\lambda )$可通过测量短路电流得到；对于LED，$J_{sc}(\lambda )$需通过电致发光（EL）光谱和光子能量计算。

二、EQE测量的通用方法

根据应用领域的不同，EQE的测量方法可分为光谱响应法（适用于太阳能电池、光电探测器）、积分球法（适用于LED、荧光材料）、电致发光法（适用于LED）三类，以下分别详细说明：

1. 光谱响应法（太阳能电池、光电探测器）

原理：通过单色仪将光源分解为不同波长的单色光，照射到器件上，测量每个波长下的短路电流（太阳能电池）或光电流（光电探测器），结合入射光功率计算EQE。

步骤：

（1）设备搭建：使用光谱响应测试系统，主要包括：

• 单色光源（如氙灯、卤钨灯）；

• 单色仪（用于选择特定波长）；

• 锁相放大器（用于提取弱信号，提高信噪比）；

• 标准探测器（如硅光电二极管，用于校准入射光功率）；

• 偏置光（用于模拟实际工作环境，如太阳能电池的开路状态）；

• 温控平台（用于控制器件温度，通常25℃）。

  （2）校准：用标准探测器测量单色光的功率密度（$E(\lambda )$，单位：W/m²），确保入射光功率的准确性。

  （3）测量短路电流：将器件接入电路，用锁相放大器测量每个波长下的短路电流（$I_{sc}(\lambda )$）。

  （4）计算EQE：根据公式计算每个波长的EQE，最终得到EQE光谱曲线。

标准依据：

• 国家标准：GB/T 38200-2019《太阳电池量子效率测试方法》；

• 国际标准：IEC 60904-8:2014《光伏器件 第8部分：光伏器件光谱响应度的测量》、ASTM E1021-15(2019)《光伏器件光谱响应测量的标准测试方法》。

2. 积分球法（LED、荧光材料）

原理：利用积分球（内壁涂有高反射率材料，如Spectralon）收集器件发射的所有光子（包括前向和侧向），通过测量积分球内的光通量，计算EQE。

步骤：

（1）设备搭建：使用积分球测试系统，主要包括：

• 积分球（内径通常为3-8英寸，反射率＞95%）；

• 光谱仪（用于测量光通量和光谱分布）；

• 源表（如Keithley 2400，用于给LED施加电流）；

• 温控平台（用于控制器件温度）。

  （2）校准：用标准光源（如已知光通量的LED）校准积分球的响应度。

  （3）测量光通量：将LED固定在积分球内，施加恒定电流（如额定电流），用光谱仪测量积分球内的总光通量（${\Phi }_e$，单位：lm）。

  （4）计算EQE：根据公式计算EQE：

  
  

其中：

• $\lambda$：LED的主波长（单位：m）；

• $c$：真空中的光速（约3×10⁸ m/s）；

• $I$：注入电流（单位：A）。

标准依据：

• 国家标准：GB/T 39492-2020《白光LED用荧光粉量子效率测试方法》、GB/T 44454-2024《荧光材料光致发光量子效率绝对测量通用检测方法》；

• 行业标准：T/CPIA 0033-2022《光伏电池量子效率测试系统技术要求》。

3. 电致发光法（LED）

原理：通过给LED施加正向电压，使其电致发光，测量发射光谱和注入电流，计算EQE。

步骤：

（1）设备搭建：使用电致发光测试系统，主要包括：

• 源表（如Keithley 2400，用于施加电压/电流）；

• 光谱仪（用于测量EL光谱）；

• 积分球（用于收集光通量，可选）；

• 温控平台（用于控制器件温度）。

  （2）测量EL光谱：给LED施加恒定电流（如10 mA），用光谱仪测量其发射光谱（${\Phi }_e(\lambda )$，单位：W/nm）。

  （3）计算总光子数：对EL光谱积分，得到总光子数（$N_{ph}$，单位：photons/s）：

  
  

（4）计算注入电子数：注入电子数等于注入电流除以电子电荷（$N_e=I/q$，单位：electrons/s）。

（5）计算EQE：

标准依据：

• 国家标准：GB/T 30655-2014《氮化物LED外延片内量子效率测试方法》（间接涉及EQE）；

• 行业标准：T/CPIA 0033-2022《光伏电池量子效率测试系统技术要求》（适用于LED的EQE测量）。

三、EQE测量的关键注意事项

无论使用哪种方法，EQE测量的准确性都依赖于以下条件：

1. 线性响应：器件需在测量范围内保持线性响应（即短路电流与入射光功率成正比），否则会导致EQE计算误差。

2. 温度控制：器件温度会影响其光电性能（如太阳能电池的开路电压、LED的发光效率），通常需控制在25℃±1℃。

3. 偏置光：对于太阳能电池，需用偏置光模拟实际工作环境（如太阳光），确保测量的短路电流与实际工作状态一致。

4. 校准：所有设备（如单色仪、积分球、光谱仪）需用标准器件（如NIST溯源的标准探测器）校准，确保测量数据的准确性和溯源性。

四、EQE测量的应用

EQE测量广泛应用于：

• 太阳能电池研发：评估电池的材料（如硅、钙钛矿）、结构（如PERC、HJT）对光电转换效率的影响；

• LED研发：优化荧光粉（如YAG:Ce³⁺）、芯片（如氮化镓）的性能，提高发光效率；

• 光电探测器研发：评估探测器的灵敏度（如InGaAs、量子点），优化其在红外、可见光波段的表现。

总结

EQE的测量方法需根据器件类型选择：太阳能电池用电谱响应法，LED用积分球法或电致发光法，光电探测器用电谱响应法。所有方法都需遵循严格的标准（如GB/T 38200-2019、IEC 60904-8），确保数据的准确性和可比性。随着新型光电材料（如钙钛矿、量子点）的发展，EQE测量技术也在不断创新（如非接触式测量、高速测量），以满足研发和生产的需求。