Tandem QLED 中顶部底部结构对效率的贡献

ContributorZhengqi ZHANG

Regular Tandem Quantum Dot Light-Emitting Diodes with over 51% External Quantum Efficiency for Next-Generation Displays Dawei Yang; Yiduo Wang; Jing Xie; Daocheng Pan; Bingsuo Zou; Heng Zhang*

亮点

该研究设计了一种新的常规串联 QLED （Regular Tandem Quantum Dot Light-Emitting Diodes）结构，获得了有史以来常规串联 QLED结构的最佳性能表现。通过采用超薄（≈4 nm）氧化铟锡（ITO）材料的电荷产生层（CGL），该结构进一步平衡了电荷注入并系统优化了光输出耦合效率，外量子效率（EQE）表现出破纪录的51.2%。

图 1 常规 Tandem QLED 的器件结构及工作机理 (a) 常规 Tandem QLED 的器件结构示意图。右侧插图显示了 2PACz 和 6PA 的化学结构。(b) 常规 Tandem QLED 的横截面 TEM 图像和相应的混色 EDS 元素映射图像。(c) 常规 Tandem QLED 的工作机制。

图 2 计算得到的 (i) 底部器件、(j) 顶部器件和 (k) 串联器件的功率分布

准备

根据 安装与许可，正确安装并激活 Leda。

作者在 Supporting Information 中提供了材料折射率数据。

该串联 QLED 结构在目标波长 632 nm 下的各层折射率分别为：

• ITO：1.73+0.01i
• PEDOT:PSS：1.48
• TFB：1.72
• QDs：1.95
• ZnMgO：1.59
• Al₂O₃：1.37+7.52i
• 2PACz:6PA：1.72
• Al：1.37+7.52i

文中器件结构为 glass/ITO anode (150 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/TFB-up (30 nm)/QDs-up (26 nm)/ZnMgO-up (130 nm)/Al:Al₂O₃ (2 nm)/ITO-CGL (4 nm)/2PACz:6PA (5 nm)/TFB-down (40 nm)/QDs-down (35 nm)/ZnMgO-down (50 nm)/Al cathode (110 nm)

数据仅用于本次案例实践，如将数据用于实际项目，请引用：Yang et al., 2025

常规串联器件

首先按照 图 1（a） 建立常规串联QLED结构，各层导入作者提供的厚度与折射率数据。需要注意该结构为 ITO anode 面发光，搭建时应将发光面朝上，与 图 1（a） 所示顺序相反。ITO 阳极位于顶部，Al 阴极位于底部。

激活 QDs-up 与 QDs-down 的 Emis. 属性。由于其基底为 1 mm 的玻璃，激活 glass 层的 Inco. 属性。

由于我们只探究目标波长 632 nm 下的器件性能，因此在 Emitter 配置页中将两个 Emitter 的光谱类型选为 Unit White 即可。

开启 Mode Detector，设置 Wavelength Type 为 Single。设置波长为 632 nm。将 Error Tolerance 提高至 20，容许一些误差。

在 Sweep 添加对 ZnMgO-up 层的厚度扫描，区间设置为从 22 nm 到 200 nm，步长为 2 nm。

Error Tolerance 设置为 20 及 From 值不从 0 nm 开始的原因

扫描的 From 值过小时，偶极子和金属层之间的距离（即传输层厚度）过小，致使 Evanescent (SPP) Mode 强度过大，导致计算结果不准确，Leda 会停止计算并报错。

体现为Mode 探测器报错 The result fails to converge in a finite in-plane wave vector

解决方案为：

• 提高扫描的 From 值（增大传输层厚度）。
• 增加 Mode 探测器的 Error Tolerance（即告诉 Leda 允许在更大的误差下输出结果）。

点击 Run Sweep 获得常规串联器件 Mode distribution 随 ZnMgO-up 厚度变化而变化的扫描结果，与 图 2（k） 的功率分布（Fraction of power）近似。

TOC 与原文 OCE (light out-coupling efficiency) 出现差异的原因

原文中常规串联器件光学模拟预测的理论 OCE 峰值（54.6%）为顶部器件 OCE（22.4%）与底部器件 OCE（32.2%）叠加（求和）所得。图 2（k）显示串联器件的总值为 2，即 200%。

原文描述：

As shown in Figure 2i–k, the power fraction of the top device, bottom device, and tandem device was calculated, and the results demonstrate that the optimal thickness for ZnMgO is 120 nm, where the tandem device achieves a peak light out-coupling efficiency of 54.6%. It can also be seen that this excellent light out-coupling efficiency comprises individual contributions of 22.4% from the bottom device and 32.2% from the top device.

而 Leda 仿真得到的 TOC 为器件 OCE 的平均值，遵守 OCE 的定义(从发射面进入到自由空间的光子数/发光层发射的光子数)，因此数值为原文的一半左右。

顶部器件

根据 图 1（a），底部器件包括 ITO-CGL，2PACz:6PA，TFB-down，QDs-down， ZnMgO-down，Al cathode 层。

在上述搭建好的串联器件基础上，关闭 QDs-up 的 Emis. 属性。

为何原文中的顶部在 Leda 中是底部

图 1(a) 所示的器件结构，与 Leda 中的器件结构顺序相反。这是因为 Leda 要求发光面朝上建模，而原文中的结构是底发射结构，在 Leda 中将层的顺序倒置。

因此，对于原文中的顶部器件（the top device），在此处激活 QDs-down 的 Emis. 属性，关闭 QDs-up 的 Emis. 属性

点击 Run Sweep 获得底部器件的 Mode distribution 随 ZnMgO-up 厚度变化而变化的扫描结果，与 图 2（j） 的功率分布（Fraction of power）近似。

底部器件

根据 图 1（a），底部器件包括 ITO-anode，PEDOT:PSS，TFB-up，QDs-up，ZnMgO-up，Al:Al₂O₃ 层。

在搭建好的器件基础上，关闭 QDs-down 的 Emis. 属性，激活 QDs-up 的 Emis. 属性。

点击 Run Sweep 获得顶部器件 Mode distribution 随 ZnMgO-up 厚度变化而变化的扫描结果，与 图 2（i） 的功率分布（Fraction of power）近似。

总结

该案例通过优化常规 Tandem QLED 结构，平衡了器件的电荷与空穴注入，获得了高 EQE 的 QLED 器件。通过光学仿真研究了 Tandem 结构中顶部与底部器件对 OCE 的贡献。

Leda 的仿真结果与原文基本一致。可能由于所使用的数据和算法并非完全一致，具体数值存在一些差异。