原理

OLED 出光效率

材料量子产率、器件 EQE 与经典出光极限之间的关系

有机发光材料的量子产率已经达到 90%，器件 EQE 却可能只有 20% 左右。少掉的光子分散在三段过程中：电荷形成发光激子、激子发生辐射衰减、已经产生的光离开平面器件。

发光光学研究第三段，也会通过光学反馈影响第二段。本篇先把材料指标、器件效率和光学仿真放到同一份损失预算中，再用经典逃逸锥解释约 20% 的出光量级。

材料量子产率不等于器件 EQE

材料的光致发光量子产率（PLQY）描述光激发条件下，材料吸收光子后产生发射光子的比例。OLED 的外量子效率（EQE）描述电驱动条件下，每个注入电子最终在器件外产生多少光子。两者之间还隔着激子形成、器件内非辐射过程和出光损耗。

以一次注入事件为归一基准，器件效率可写成

\eta_{\mathrm{EQE}}=C\,q_{\mathrm{eff}}\,\eta_{\mathrm{out}}.

式中， $\eta_{\mathrm{EQE}}$ 是外量子效率； $C$ 是电荷形成目标发光激子的转换效率，包含电荷平衡与可利用激子比例； $q_{\mathrm{eff}}$ 是器件光学环境中的有效量子效率； $\eta_{\mathrm{out}}$ 是出光效率（也称光取出效率、外耦合效率，light extraction efficiency，LEE），即进入目标外部介质的光子占已进入电磁发射通道光子的比例。三项均为 0 到 1 之间的无量纲量。

材料 PLQY 最接近发光体的本征量子效率 $q_0$ ，但不能替代 $C$ 、 $q_{\mathrm{eff}}$ 或 $\eta_{\mathrm{out}}$ 。电致发光中的电荷失衡、激子猝灭和器件光学反馈都会使实际值偏离材料测试结果。即使暂取 $C=0.95$ 、 $q_{\mathrm{eff}}=0.90$ 和 $\eta_{\mathrm{out}}=0.20$ ，也只有

\eta_{\mathrm{EQE}}=0.95\times0.90\times0.20=17.1\%.

这就是“材料接近 90%，器件只有约 20%”最直接的数量级解释。

经典逃逸锥与出光极限

发光层和有机功能层的折射率通常高于空气。光从高折射率介质射向低折射率介质时，只有落在临界角以内的方向能够直接传播出去。临界角为

\theta_c=\arcsin\left(\frac{n_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{EML}}}\right),

其中， $\theta_c$ 是相对界面法线的临界角， $n_{\mathrm{EML}}$ 是发光层折射率， $n_{\mathrm{out}}$ 是外部介质折射率，并要求 $n_{\mathrm{EML}}>n_{\mathrm{out}}$ 。超过 $\theta_c$ 的平面波在界面发生全内反射，形成有限的逃逸锥。

底发射器件层状结构与发光层折射率对应的经典出光效率上限 — 图 1｜高折射率发光层只允许逃逸锥内的光直接出射；经典出光上限随发光层折射率升高而下降。

对各向同性、近似朗伯辐射的平面发光体，且外部介质近似为空气时，经典射线光学给出

\eta_{\mathrm{out}}\approx\frac{1}{2n_{\mathrm{EML}}^2}.

当 $n_{\mathrm{EML}}\approx1.7$ 时，结果约为 17%，常被概括为 OLED 约 20% 的经典出光量级。这个公式只计算几何逃逸锥，并假定理想取向、理想反射和无吸收；真实 OLED 还存在偶极取向、薄膜干涉、金属吸收、波导与表面等离激元等效应。因此它适合建立直觉，不适合作为具体器件的最终效率预测。

未出射能量的去向

逃逸锥之外的能量并没有立即消失。它会在层状结构中进入不同通道。

底发射器件中的空气、衬底、吸收、波导和表面等离激元通道 — 图 2｜平面发光器件的主要光学通道。直接出射只占一部分，其余功率进入衬底、吸收、波导和 SPP 等通道。

能量通道	形成原因	对器件的影响
外部出光	波矢位于外部介质光锥内	构成可利用光与 EQE
基底模	光进入高折射率衬底，但在衬底—空气界面全反射	光被困在衬底内
波导模	有机层或透明电极中的全内反射与干涉	能量沿器件平面传播并最终损耗
吸收	金属、电极和有损功能层吸收电磁能量	转化为热
倏逝与 SPP	偶极近场耦合到金属—介质界面的高波矢态	常形成强烈的近场损耗
激子非辐射衰减	激子没有进入电磁发射通道	由 $1-q_{\mathrm{eff}}$ 表示

这些通道不能只靠斯涅耳定律区分。器件膜层厚度与波长同量级，反射波会相干叠加；能量分配必须由偶极子多层模型计算，并在面内波矢空间积分。具体定义见功率耗散与光学模。

入门现象与对应原理

可观察现象	主要光学原因	对应文章
材料 PLQY 很高，器件 EQE 仍停在约 20%	转换效率、有效量子效率与出光效率逐级相乘	本篇
同一发光材料换一个层厚，亮度和效率明显变化	偶极位置与微腔干涉改变出光和损耗分配	微腔效应
屏幕侧看出现偏绿、偏蓝或饱和度变化	腔体共振随角度移动，不同波段被重新加权	微腔效应
有的 OLED 接近朗伯分布，有的明显前向集中	弱腔器件可近似恒定辐亮度，强腔产生角度选择	微腔效应
水平取向分子通常带来更高 EQE	水平偶极把更多功率送入法线附近和逃逸锥	偶极子模型和适用条件
发光层靠近金属后，寿命和效率同时变化	光学环境改变衰减速率，并增强高波矢损耗	Purcell 效应
提高电极反射率后，效率可能先升后降	相长干涉增强出光，同时多次反射与金属吸收增加	微腔效应

这些问题共同说明：材料决定可产生什么光，器件光学决定这些光以什么颜色、什么角度和多大比例离开器件。

下一步

继续阅读偶极子模型和适用条件，了解发光源为何用点偶极子表示，以及分子取向如何进入计算。

参考

Tsutsui, T.; Takada, N. Progress in Emission Efficiency of Organic Light-Emitting Diodes: Basic Understanding and Its Technical Application. Jpn. J. Appl. Phys. 2013, 52. https://doi.org/10.7567/JJAP.52.110001
Shim, J. I.; Shin, D. S. Measuring the Internal Quantum Efficiency of Light-Emitting Diodes: Towards Accurate and Reliable Room-Temperature Characterization. Nanophotonics 2018, 7, 1601–1615.
Greenham, N. C.; Friend, R. H.; Bradley, D. D. C. Angular Dependence of the Emission from a Conjugated Polymer Light-Emitting Diode: Implications for Efficiency Calculations. Adv. Mater. 1994, 6, 491–494.
Salehi, A.; Chen, Y.; Fu, X.; Peng, C.; So, F. Manipulating Refractive Index in Organic Light-Emitting Diodes. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 9595–9601.

色散理论

薄膜传递矩阵的相位、群延迟、GDD 与差分群延迟

偶极子模型和适用条件

平面发光器件的点偶极子、分子取向、空间分布与模型边界