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2025-08-12T23:24:51Z

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Die '''Quantenausbeute''' (auch '''Quanteneffizienz''' oder '''Quantenwirkungsgrad'''<ref>[https://www.enargus.de/search/?q=Quantenwirkungsgrad Quantenwirkungsgrad]</ref> (engl. ''quantum yield''<ref name="IEC_845-24-035" />); 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 Quantenausbeute eines [[Fluorophor]]s das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und absorbierten Photonen an.<ref name="IEC_845-24-035">
International Electrotechnical Commission (IEC): ''International Electrotechnical Vocabulary.'' [https://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=845-24-035 ref. 845-24-035, photoluminescence quantum yield] (abgerufen am 19. Januar 2025).</ref> 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. [[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.

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 Photoempfängern, Leuchtstoffen und Halbleiterlichtquellen ==
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_\gamma</math>:

:<math>QE(\lambda) = \frac{N_e}{N_\gamma(\lambda)} = \frac{I}{q\cdot\Phi_\gamma(\lambda)} = \frac{I}{q}\cdot\frac{h\cdot \nu}{\Phi_L(\lambda)}</math>

Dabei ist
* <math>q</math> die [[Elementarladung]],
* <math>I</math> der [[Photostrom]],
* <math>\Phi_\gamma</math> die Anzahl der Photonen pro Zeit,
* <math>\Phi_L</math> die [[Strahlungsleistung]],
* <math>h \cdot \nu = h\cdot\tfrac c \lambda</math> die Energie eines einzelnen Photons
** <math>\lambda</math> = Wellenlänge des Lichts
** <math>\nu</math> = Frequenz des Lichts
** <math>c</math> = [[Lichtgeschwindigkeit]]
** <math>h </math> = [[Planck-Konstante]].

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.

=== Spektrale Empfindlichkeit ===

Die gleiche Größe, unter anderem bei Photodioden, [[Solarzelle]]n oder [[Photokathode]]n in der Einheit Ampere pro Watt (A/W) gemessen, wird als [[spektrale Empfindlichkeit]] (SR – für engl. ''spectral response'') bezeichnet:

:<math>SR(\lambda) = \frac{I}{P(\lambda)}</math>,

wobei <math>P(\lambda)=\Phi_\gamma(\lambda)\cdot h\nu</math> die Lichtleistung bei einer speziellen Wellenlänge ist.

Der Zusammenhang mit der Quanteneffizienz <math>QE(\lambda)</math> ist:

:<math>QE(\lambda)=\frac{SR(\lambda)}{\lambda}\cdot\frac{h c}{q}\,</math>,

mit
:<math>\frac{h c}{q} = 1{,}239842 \cdot10^{-6} \frac\mathrm{m}\mathrm{A/W}</math>.

=== Messprinzip ===

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, <math>QE_\mathrm{cal}</math>, kalibriert wird. Es gilt dann:

:<math>QE = QE_\mathrm{cal} \cdot \frac{I_\mathrm{mes}}{I_\mathrm{cal}}</math>

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

=== Messaufbau ===

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 [[Modulator (Optik)#Chopper|optischen Chopper]] periodisch moduliert (gepulst) werden.

== Quanteneffizienz vs. Quantenausbeute ==
Es gibt zwei Faktoren, die einen quanteninduzierten Prozess in seiner Effizienz begrenzen:
#die Rate der Photonen, die überhaupt wirksam wird (der Rest wird auf andere Weise absorbiert)
#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 ==
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 Photokathoden kann Werte von über 50 % erreichen. Derzeitige Spitzenwerte sind:
* Cs<sub>2</sub>Te bei 213 nm: ca. 20 %
* [[Galliumarsenidphosphid|GaAsP]] um die 460…540 nm: ca. 50 %
* [[Galliumarsenid|GaAs]] um die 550…720 nm: ca. 25 %
* [[Indiumphosphid|InP]]-[[Indium-Galliumarsenid-Phosphid|InGaAsP]] knapp über 1000 nm: ca. 1 %

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>

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]] [[Ludwig-Maximilians-Universität München|Universität München]] 2003, S. 77 ([https://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.

== Siehe auch ==
* [[Sonnensimulator]]
* [[Photovoltaik]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Theoretische Chemie]]
[[Kategorie:Photochemie]]
[[Kategorie:Spektroskopie]]

Quantenausbeute - Versionsgeschichte

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