QLED Tandem 结构效率优化

ContributorYuhan LI

Very Stable and Efficient Tandem Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Enabled by IZO-Based Interconnecting Layers Cuixia Yuan, Zinan Chen, Fengshou Tian, Shuming Chen*

亮点

该研究开发了一种新的 Tandem QLED 结构。在电学方面，通过仿真和实验的结合，设计了基于氧化铟锌（IZO）和导电 ZnMgO 的互联层（ICL），显著降低 Tandem QLED 的驱动的电压。在光学方面，通过开发顶部发射结构（Top-emitting structure, TE）并在了光学模拟的指导下优化腔体长度，实现了最大的光提取效率（LEE）。优化后的 Tandem QLED 在 1000 cd/m² 下的最大外部量子效率为 49.01%，T95 寿命超过 50,000 小时，是发表时最高效、最稳定的 QLED 之一。

图 2 为 Tandem QLEDs的光学设计。(a) 和 (b) 分别为优化后的单发光层器件和 Tandem 器件的结构。(c) 和 (d) 分别为单发光层器件和 Tandem 器件的模拟EQE/γ值。(e) 为 (c) 和 (d) 中标记的器件的电磁场分布计算结果。

准备

根据安装与许可，正确安装并激活 Leda。

作者在 Supporting Information 的 Figure S5 提供了材料折射率数据。

图 S5 模拟 EQE/γ 和电磁场分布时使用的参数。此外，作者在仿真中将 MoO₃ 的折射率设置成与 TcTa 的相同（见 Supporting Information 中的描述 “the refractive indices used for MoO₃ are the same as those of TcTa”）。

将以下提取自 Figure S5 的数据下载到本地。

折射率数据

IZO TcTa RQD ZnMgO Ag

光谱数据

Spectrum

数据仅用于本次案例实践，如将数据用于实际项目，请引用：Yuan et al., 2024

仿真验证

我们将使用 Leda 来完成 图 2 中的仿真结果。

单发光层器件

首先按照 图 2（a） 建立常见的单发光层 TE-QLED 结构，各层导入作者提供的折射率数据。由于作者在图 S5 中注明用于 MoO₃ 的折射率与 TcTa 的相同，导入相同文件即可。

激活 RQD 层的 Emis. 属性，将其作为 EML；由于基底层为 1 mm 的玻璃，激活 Substrate 的 Inco. 属性。

在 Emitter 中导入作者在 Figure S1 提供的的 PL 光谱。

查看导入的 PL 光谱，有效波长范围为 590 到 670 nm。

开启 Mode Detector，设置 Wavelength Type 为 Integration。根据 Emitter 的光谱范围，设置 Wavelength 范围从 590 nm 到 670 nm，步长（Step）为 5 nm。

在 Sweep 添加 Layer 的厚度扫描，ZnMgO 的厚度设置为从 5 nm 到 360 nm，步长为 5 nm；IZO-t 的厚度设置为从 40 nm 到 320 nm，步长为 5 nm（你可以进一步提高精度，但会增加计算时间）。

点击 Run Sweep 获得扫描结果。在 Mode 中将 Chart Type 切换到 Heatmap 观察 EQE 随着 ZnMgO 和顶部 IZO 厚度的变化而变化。如下图所示，我们实现了与 图 2（c） 相同的图案。

Tandem 器件

接下来按照 图 2（b） 建立 Tandem TE-QLED 器件结构，各层导入作者提供的折射率数据。同样，根据原文描述，MoO₃ 的折射率导入与 TcTa 的相同文件。激活 RQD-t 与 RQD 层的 Emis. 属性，将其作为 EML；激活 Substrate 的 Inco. 属性。

根据原文中的说明：“In the optical design of a tandem QLED, it is assumed that the charge balance factors or electrical efficiencies of the two emitting units are equal.” 在 Emitter 中分别为 RQD-t 和 RQD 创造相同参数的 Emitter1 和 Emitter2，分别导入作者提供的 RQD 光谱 Spectrum.pl。

保持 Mode Detector 的设置不变，在 Sweep 添加 Layer 的厚度扫描，ZnMgO-t 的厚度设置为从 40 nm 到 180 nm，步长为 2 nm；IZO-t 的厚度设置为从 20 nm 到 180 nm，步长为 2 nm。

点击 Run Sweep 获得扫描结果。如下图所示，我们实现了与 图 2（d） 相同的图案。

对于传统单发光层 QLED，在 Conversion Efficiency 和 Quantum Efficiency 为 100% 时，TOC 对应 EQE。

然而 Tandem QLED 中一个注入电子最多可以产生两个激子，EQE 可以达到传统 QLED 的 2 倍。因此 Leda 仿真得到的 TOC 并不能直接对应 EQE，需要进行换算。

原文中的描述：

In the optical design of a tandem QLED, it is assumed that the charge balance factors or electrical efficiencies of the two emitting units are equal. Additionally, in a tandem device, one injected electron can maximally generate two excitons, and thus, the electrical efficiency () of the tandem QLED is twice that of the bottom and top units (). As a result, the values of the tandem QLED can be derived as a linear superposition of the individual values of the two emitting units,³³ as described by

where and represent the EQEs of the bottom and top units, respectively, and and are the electrical efficiencies of the bottom and top units, respectively.

总结

该案例通过开发 Tandem QLED 的顶部发射结构，并优化腔体长度，实现了最大的光提取效率，最终实现了高效率的 QLED。

通过 Leda 对器件进行建模，并运用论文中给出的数据进行仿真计算，运行结果与论文结果几乎一致，快速完成了专业的光学仿真验证。