常规串联 QLED 出光耦合
Regular Tandem Quantum Dot Light-Emitting Diodes with over 51% External Quantum Efficiency for Next-Generation Displays
作者： Dawei Yang、Yiduo Wang、Jing Xie、Daocheng Pan、Bingsuo Zou、Heng Zhang
期刊： Advanced Materials 37(44), e08173（2025） · 对照目标： Figure 2i-k
串联 QLED 把两个发光单元叠在同一个光学膜系里。两个 QD 层离出光界面和金属阴极的距离不同，出光效率就不相等，对同一层传输层厚度的响应也不一样。
本案例建三个模型——只开底部单元、只开顶部单元、两个都开——把底部单元的 ZnMgO 厚度从 22 nm 扫到 200 nm，得到论文 Figure 2i-k 的三条厚度响应曲线。
论文在 120 nm 处标出底部单元 22.4%、顶部单元 32.2% 和两者相加后的串联贡献 54.6%；下文重点对照宽峰形态和顶部单元贡献更大的关系。
背景
串联 QLED 在同一光学膜系中放置两个发光单元。理想电荷平衡下，一个注入电子最多可在两个单元中各产生一个激子；光学上，两个 QD 层相对出光界面和金属阴极的位置不同，因此出光效率并不相等，对同一传输层厚度的响应也不同。
论文采用超薄 ITO 电荷生成层，并报道超过 51% 的实测 EQE。本次复现只处理光学功率比例，不计算电荷生成、载流子平衡和寿命。
结构
三个模型共用同一套膜系，只改变两层 QD 的 Emission 启用状态。层序从 Glass 出光侧排到 Al 阴极。
| 膜层 | 厚度 | 632 nm 光学常数 |
|---|---|---|
| Glass，非相干 | 1 mm | 衬底模型 |
| ITO 阳极 | 150 nm | 1.73 + 0.01i |
| PEDOT:PSS | 40 nm | 1.48 |
| 底部 TFB | 30 nm | 1.72 |
| 底部 QD EML | 26 nm | 1.95 |
| 底部 ZnMgO | 标称 130 nm；参与扫描 | 1.59 |
| Al–Al₂O₃ 连接层 | 2 nm | 1.37 + 7.52i |
| ITO 电荷生成层 | 4 nm | 1.73 + 0.01i |
| 2PACz:6PA | 5 nm | 1.72 |
| 顶部 TFB | 40 nm | 1.72 |
| 顶部 QD EML | 35 nm | 1.95 |
| 顶部 ZnMgO | 50 nm | 1.59 |
| Al 阴极 | 110 nm | 1.37 + 7.52i |
建好后的结构页。两层 QD 分处连接层两侧，共用 Glass 出光通道：
光学与发光设置
| 配置项 | 设置 |
|---|---|
| 底部单元模型 | 仅启用底部 QD EML |
| 顶部单元模型 | 仅启用顶部 QD EML |
| 串联模型 | 同时启用两个 QD EML，等权 |
| 发射体 | Unit White；Probability；Isotropic；相对位置 0.5 的 Delta；量子效率 1 |
| 探测器 | Mode，Single，632 nm |
| Sweep | 底部单元 ZnMgO：22–200 nm，步长 2 nm，共 90 个取值 |
Unit White 在本案例中表示单波长计算不使用额外 PL 权重，不表示器件发白光。
底部单元的发射体设置，底部单元模型只启用它：
顶部单元的发射体设置，顶部单元模型只启用它，串联模型同时启用两者：
探测器只开 Mode，波长 Single 632 nm：
扫描变量是底部单元的 ZnMgO 厚度，三种模型共用相同的 90 个厚度点，曲线可直接比较：
结果页的 Stack 显示七个通道的完整归一化功率分配，对照论文的堆叠面积图；Line 只保留 Top Outcoupling，用于读取 120 nm 设计点与曲线峰值。七个通道与论文的对应关系如下。
| 论文通道 | Dreapex TMM 对照通道 | 说明 |
|---|---|---|
| air | Top Outcoupling | 从 Glass 出光侧逸出的功率 |
| substrate | Substrate | 进入 Glass 衬底通道的功率 |
| waveguide | Waveguide | 膜系内导波功率 |
| SPP | Evanescent | 高面内波矢近场功率，只作趋势对照 |
| absorption | Absorption | 膜层吸收功率 |
Dreapex TMM 还单列 Bottom Outcoupling 与 Non-radiative；本案例中前者接近零，后者因量子效率设为 1 而为零。
Optimize。页面下方若出现仅与 Optimize 有关的提示，可继续执行 Sweep。仿真结果与 Figure 2 对照
论文分别给出底部、顶部和相加后的串联功率比例，仿真结果沿用 Figure 2i-j-k 的顺序。每个小节先用 Stack 对照完整模式分配，再用 Line 读取 Top Outcoupling 数值。
Figure 2i：底部单元
论文 Figure 2i（底部单元）请在原文中查看。
同一次扫描的 Stack 结果，七个通道随厚度的完整分配：
七个通道在全部 90 个厚度点均闭合到 100%。Evanescent 带随 ZnMgO 增厚快速收缩，Waveguide、Substrate 与 Top Outcoupling 相应扩大，复现了 Figure 2i 的主要模式转移方向。
切到 Line 只留 Top Outcoupling，就能读出设计点数值：
底部单元在 120 nm 时为 17.35%，并在 152 nm 附近达到 19.07%；论文在 120 nm 给出约 22.4%。曲线复现了腔体宽峰，但峰位和幅值均保留可见偏差。
Figure 2j：顶部单元
论文 Figure 2j（顶部单元）请在原文中查看。
换成只启用顶部 QD 的模型，重复同一次扫描：
顶部单元的 Stack 同样在全部厚度点闭合到 100%，并保持较宽的 Top Outcoupling 带。内部高面内波矢功率在 Waveguide 与 Evanescent 之间的划分与论文不同，因此不做 SPP 通道的逐点数值拟合。
同样切到 Line：
顶部单元在 120 nm 时为 29.49%，并在 98 nm 附近达到 29.98%。其峰位与底部单元的 152 nm 不同，说明两个发射体处于不同的光学位置；设计点的贡献顺序与论文的 32.2% > 22.4% 一致。
Figure 2k：串联器件
论文 Figure 2k（串联器件）请在原文中查看。
两个 QD 层同时启用、等权：
该 Stack 是两个等权发射体的归一化平均，总高度固定为 1；论文 Figure 2k 把两个隔离单元相加，总高度为 2。因此它只用于对照各通道的相对组成与厚度趋势，与 Figure 2k 的数值对照仍使用两个隔离单元结果之和。
串联模型的 Top Outcoupling 曲线：
曲线在约 136 nm 达到 23.68%，在论文采用的 120 nm 处为 23.42%，并保持在两条隔离曲线之间。
120 nm 处的对照量 | 论文 | 仿真 |
|---|---|---|
| 底部单元贡献 | 22.4% | 17.35% |
| 顶部单元贡献 | 32.2% | 29.49% |
| 隔离单元之和 | 54.6% | 46.84% |
| 双源 Mode 等权平均 | 仅用于趋势核对 | 23.42% |
论文 Figure 2k 的定量对照采用两个隔离单元之和：17.35% + 29.49% = 46.84%，比论文 54.6% 低 7.76 个百分点。双源 Mode 在 120 nm 的 23.42% 与两个隔离结果的算术平均一致，不参与 54.6% 的误差计算。
偏差说明
2 nm 的 Al–Al₂O₃ 连接层使用论文给出的单一等效值 1.37 + 7.52i，2PACz:6PA 层使用论文光学计算中的标量近似 1.72。把这两层超薄混合膜视为均匀膜会改变底部单元的损耗和最优点。
本次在 632 nm 单波长下计算，论文曲线按整条发射谱给出。这一项已量过：把 Mode 的波长模式改成 560–700 nm 扫描，在设计点 120 nm 上取 600–660 nm 的平谱平均，底部单元从 17.34% 移到 17.37%、顶部单元从 29.49% 移到 29.23%。谱权重不到 0.3 个百分点，不是与论文差距的来源。
每个 QD 层都用中央各向同性 Delta 发射体；不同的复合区位置或水平偶极比例会以不同方式影响两个单元。模型不包含电荷平衡，所以实验的 51.2% EQE 不是本案例的对照对象。