电致发光效率测定

发布时间：2026-06-05 08:11:56

作者：北检院

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技术概述

电致发光效率测定是光电材料与器件研究领域中至关重要的表征手段，主要用于评估发光器件将电能转化为光能的能力。电致发光（Electroluminescence, EL）现象是指材料在电场作用下，通过载流子的注入、传输与复合而产生光辐射的过程。与光致发光（PL）不同，电致发光更直接地反映了器件在实际工作状态下的物理机制与性能表现。随着新型显示技术、固态照明以及新型光电探测器技术的飞速发展，电致发光效率测定已成为OLED（有机发光二极管）、QLED（量子点发光二极管）、LED（发光二极管）以及无机薄膜发光器件研发与质量控制过程中的核心环节。

从物理本质来看，电致发光效率是一个多维度的概念，主要包括内量子效率、外量子效率、电流效率以及功率效率等参数。内量子效率反映了器件内部载流子复合产生光子的比例，而外量子效率则进一步考虑了光子在器件内部传输过程中的波导模式损耗与表面等离子体损耗，体现了器件最终向外部发射光子的能力。电致发光效率测定通过精确测量器件在特定电流或电压驱动下的电学参数与光学参数，结合辐射度学与光度学理论，计算出上述关键指标。这一过程不仅能够揭示器件的能级结构、载流子平衡程度与界面特性，还能为器件结构的优化设计提供数据支撑。

在当前的产业背景下，电致发光效率测定技术的精准度直接关系到新型发光材料的商业化进程。高效的发光器件意味着更低的能耗、更长的使用寿命以及更优异的显示效果。因此，建立科学、规范、可重复的测定体系，对于科研机构探索新型发光机理以及企业提升产品竞争力都具有不可替代的意义。本文将围绕电致发光效率测定的技术细节，从检测样品、项目、方法、仪器及应用领域等方面进行全面阐述。

检测样品

电致发光效率测定的对象涵盖了广泛的发光器件与材料体系，这些样品根据其材料构成、结构特征及应用场景的不同，在测试参数设置与数据分析方法上存在差异。了解检测样品的特性是开展精准测定的前提。常见的检测样品主要包括以下几类：

有机发光二极管（OLED）：这是目前电致发光效率测定中最常见的样品类型，包括小分子OLED与聚合物OLED（PLED）。样品结构通常包含透明阳极（如ITO）、空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层及金属阴极。根据发光颜色可分为红、绿、蓝单色器件及白光器件，根据驱动方式可分为被动矩阵（PMOLED）与主动矩阵（AMOLED）。
量子点发光二极管（QLED）：此类样品利用量子点材料作为发光层，具有色纯度高、发光效率优异等特点。检测样品通常为溶液法制备或蒸镀法制备的薄膜器件，核心在于评估量子点材料的电致发光特性与稳定性。
无机发光二极管（LED）：包括传统的III-V族半导体LED（如GaN基蓝光LED、绿光LED）、新型钙钛矿发光二极管等。这些样品通常在晶圆级别或封装后进行测试，关注其在高电流密度下的效率 droop（效率衰减）现象。
薄膜电致发光器件（TFEL）：这类样品基于硫化锌等无机材料，通常采用交流驱动，结构中包含绝缘层与发光层。测定时需关注其阈值电压与亮度-电压特性。
柔性发光器件：随着可穿戴设备的发展，柔性OLED与柔性QLED成为热门检测样品。此类样品在测试过程中除常规效率参数外，有时还需结合弯曲状态进行动态性能评估。
科研级原型器件：在高校与科研院所中，常见的样品还包括单层器件、体异质结器件等探索性结构，旨在研究新型发光材料的本征特性。

在进行电致发光效率测定前，需确保样品电极接触良好，表面无物理损伤，并处于干燥惰性气氛保护或稳定封装状态，以防止水氧对测试结果的干扰。样品的尺寸、有效发光面积以及出光结构（如微透镜阵列、光提取层）均需准确记录，以便进行后续的光学模拟修正。

检测项目

电致发光效率测定涉及多项核心参数，这些参数共同构成了对发光器件性能的完整画像。根据国际照明委员会（CIE）及相关行业标准，主要的检测项目如下：

电流-电压（I-V）特性：这是最基础的电学测试项目，记录器件在不同电压下的电流响应。通过I-V曲线可以分析器件的开启电压、漏电流特性以及串联电阻等关键信息，为效率计算提供电功率输入数据。
亮度-电压（L-V）与亮度-电流密度（L-J）特性：测定器件发光亮度随电压或电流密度的变化规律。亮度通常以坎德拉每平方米（cd/m²）为单位。该指标直接反映了器件的发光能力，是计算电流效率的基础。
外量子效率：定义为器件发射出的光子数与注入电子数之比。这是衡量发光器件性能最核心的物理参数之一。EQE综合考虑了内量子效率与光提取效率，能够直观评价器件的综合性能。
内量子效率：指器件内部产生的光子数与注入载流子数之比。该参数通常需结合光输出耦合模型或变角测量技术进行估算，反映了发光材料的荧光量子效率与载流子平衡程度。
电流效率：即发光亮度与电流密度的比值，单位通常为cd/A。该参数对于显示与照明应用具有较高的工程参考价值。
功率效率：即发光效率，定义为器件发出的光通量与消耗的电功率之比，单位为流明每瓦。该指标直接反映了器件的节能特性，是照明应用中的关键指标。
电致发光光谱：测定器件在特定驱动条件下的发射光谱分布。通过光谱可以计算色坐标（CIE x, y）、主波长、峰值波长、半峰宽（FWHM）及色温等色度学参数。光谱数据也是将辐射量转换为光度量的必要依据。
寿命与稳定性：虽然不属于瞬时效率参数，但T95或T50寿命测试通常与效率测定同步进行，用于评估器件在恒定电流或恒定亮度下的效率衰减行为。
效率滚降特性：测定器件在高电流密度下效率下降的现象及程度，这对于分析器件的激子猝灭机制（如三线态-三线态湮灭、极化子猝灭）具有重要意义。

通过上述项目的综合测定，研究人员可以全面掌握发光器件的电学注入效率、辐射复合效率以及光子提取效率，从而精准定位性能瓶颈。

检测方法

电致发光效率测定的方法体系建立在辐射度学、光度学与电学测试的基础之上。为了保证数据的准确性与可比性，测试过程需严格遵循相关国际标准与操作规范。主要的检测方法流程与关键技术如下：

首先，样品制备与环境控制是测试的前提。样品应在手套箱等惰性气体环境中完成电极连接或封装，避免暴露于空气中导致性能衰减。测试通常在暗箱中进行，以消除环境光的干扰。对于温度敏感的器件，需配备温控载台，将环境温度稳定在标准条件（通常为25℃或室温）。

核心的测定方法主要包括以下几种：

正向偏置电压扫描法：这是最常用的测试方法。通过源表向器件施加从零开始逐步增加的电压，同步采集电流数据与光信号数据。光信号采集系统通常包括光度计、光谱辐射计或积分球配合光电探测器。扫描步长与扫描速度需根据器件的响应特性设定，避免器件发热影响测试精度。
积分球绝对测量法：为了获得高精度的光通量数据，常采用积分球系统。将发光器件置于积分球内，光线经内壁漫反射后被探测器接收。该方法可有效消除由于器件发光方向性带来的测量误差，适用于全向发光或面光源的总光通量测定。通过积分球法测得的总光通量结合电学参数，可准确计算功率效率。
变角度光度分布测量法：针对具有特定出光结构的器件，需使用分布光度计测量器件在空间各个方向上的发光强度分布。通过积分空间光强分布数据，可计算总光通量与外量子效率。该方法对于评估光提取技术的有效性至关重要。
脉冲驱动测试法：为了消除焦耳热效应对器件效率的影响，特别是在高电流密度下的测试，常采用脉冲电压或脉冲电流驱动。脉冲宽度通常设置为微秒或毫秒级，占空比很低，从而保证器件在测试瞬间处于热平衡状态，能够测得器件本征的高电流密度效率特性。
光谱匹配与修正法：在测定电流效率时，需利用光谱辐射计测得的光谱数据，结合人眼视见函数（V(λ)）进行加权积分，从而将辐射亮度转换为光度亮度。这一步骤对于准确评价红光、蓝光及白光器件尤为重要。

在数据处理阶段，外量子效率的计算公式通常为：EQE = (光子数/电子数) = (Luminous Flux × λ_mean) / (Current × Voltage × K_m × V(λ)_mean)。其中涉及复杂的单位换算与光谱修正。专业的测试软件通常会自动完成这些计算，并生成J-V-L曲线、EQE-J曲线等图表。

此外，测试过程中还需注意排除寄生电阻的影响，采用四线制测量法提高电压采样的准确性；对于大面积器件，需确保探测器视场覆盖整个发光区域或进行必要的几何修正。所有测试均需重复多次，以评估数据的重复性与误差范围。

检测仪器

高精度的电致发光效率测定离不开先进的仪器设备支持。一套完整的测试系统通常由电学激励模块、光信号采集模块、数据处理模块及环境控制模块组成。以下是测定过程中常用的关键仪器设备：

可编程数字源表：作为电学激励的核心设备，源表能够提供高精度的电压或电流输出，并同步测量回路的电流或电压值。高性能源表具有皮安级别的电流分辨率和微伏级别的电压分辨率，能够精确捕捉器件在亚阈值区域及高工作状态下的微弱电学信号变化。
亮度计与光度计：用于测量器件的表面亮度。成像亮度计可以获取发光面亮度的二维分布，分析发光均匀性；点亮度计则用于快速测量特定区域的亮度值。选用时需注意探测器的光谱响应曲线应严格符合CIE标准人眼视见函数。
光谱辐射计：这是测定电致发光光谱的关键仪器。光谱辐射计通过光栅或棱镜分光，配合CCD或光电二极管阵列探测器，能够快速获取发光器件的发射光谱。高分辨率光谱辐射计可以分辨窄带发射的半峰宽，并准确计算色坐标。
积分球系统：由高反射率涂层（如聚四氟乙烯）构成的球形腔体及配套的光谱仪或光度计组成。积分球用于收集器件发出的所有光线，进行总光通量的绝对测量。该系统通常配备辅助灯以修正样品自吸收效应。
分布光度计：用于测量发光强度的空间分布曲线。通过机械臂带动探测器绕发光器件旋转，测量不同角度下的光强值。该设备体积较大，主要用于大功率照明器件的精确测量。
探针台与显微测试系统：对于芯片级或晶圆级的微小器件测试，需使用精密探针台。探针台配备光学显微镜，可精确调整探针位置接触器件电极，并在微观尺度下采集光信号。部分探针台还集成了低温恒温器，用于变温电致发光特性的研究。
脉冲发生器与高速示波器：在进行瞬态电致发光或脉冲效率测试时，需使用脉冲发生器产生特定波形与频率的驱动信号，并利用示波器监测器件的瞬态响应，分析载流子迁移率与激子寿命。
环境试验箱：为了评估器件在特定环境下的效率稳定性，常配备恒温恒湿试验箱，在设定温湿度条件下进行长时间的通电老化测试。

现代化的电致发光效率测定系统往往集成了上述多种仪器，通过自动化控制软件实现一键式测试，自动生成包含亮度、效率、色度及寿命预估在内的完整测试报告。仪器的定期校准（如使用标准光源校准光度计、标准白板校准积分球）是保证测试数据溯源性与准确性的必要措施。

应用领域

电致发光效率测定技术在多个高科技产业领域发挥着关键作用，推动了新材料开发、工艺改进与产品质量提升。主要应用领域包括：

新型显示产业：在手机、电视、智能手表等显示屏制造领域，OLED与Micro-LED技术已成为主流。电致发光效率测定直接关系到显示屏的功耗与续航能力。高效的发光器件意味着在相同亮度下消耗更少的电量，这对于移动设备尤为重要。同时，测定数据还用于调整红绿蓝三基色的发光比例，确保显示屏的色彩还原度与白平衡。在生产线中，快速效率检测是剔除不良品、提升良率的关键手段。

固态照明产业：LED照明已广泛应用于室内照明、路灯、汽车大灯等领域。功率效率是衡量LED灯具节能效果的核心指标。通过电致发光效率测定，企业可以优化荧光粉配比、改进芯片结构与封装工艺，提升光效，降低热损耗。此外，对于新兴的OLED照明面板，测定其面发光均匀性与效率滚降特性对于产品定型至关重要。

科研与新材料开发：在高校与科研院所，电致发光效率测定是探索新型发光材料（如TADF热活化延迟荧光材料、钙钛矿材料、量子点材料）的必备手段。研究人员通过测定不同材料体系的EQE与滚降特性，筛选出具有高激子利用率、低猝灭效应的候选材料，深入理解能级结构与激子动力学机制。这些基础研究数据为下一代显示与照明技术的突破提供了理论支撑。

光通信与生物传感领域：某些特殊的电致发光器件被用于可见光通信或生物医学检测。在这些应用中，器件的调制带宽与发光效率同样重要。通过效率测定结合高频信号测试，可以评估器件在高速通信场景下的信噪比与能耗表现。

质量认证与标准制定：第三方检测机构与标准化组织利用电致发光效率测定技术，建立行业测试标准与能效规范。通过对市场上流通的发光产品进行抽检，评估其能效等级，推动行业向绿色低碳方向发展。

常见问题

在进行电致发光效率测定的过程中，研究人员与工程师经常会遇到一系列技术问题与困惑。以下是对常见问题的解答：

为什么测得的亮度值在不同测试设备间存在差异？
这通常是由于设备的校准状态、探测器的光谱响应匹配度以及测量几何条件不同所致。不同亮度计对非朗伯体发光器件的接收角不同，会导致读数差异。建议定期使用标准光源校准设备，并统一测量距离与视场角。
如何消除测试过程中的焦耳热效应？
器件在大电流下工作时会产生热量，导致效率下降，干扰对材料本征性能的判断。解决方法是采用脉冲驱动测试，缩短通电时间，降低平均功率；或在测试过程中使用主动冷却装置维持器件温度恒定。
积分球测量与亮度计测量结果为何不一致？
积分球测量的是总光通量，适用于各向异性发光或全向发光器件；而亮度计测量的是单位面积的发光强度。对于具有明显方向性的器件，两者之间的换算需考虑器件的发光强度分布曲线（配光曲线）。如果简单地将亮度乘以面积来估算光通量，会产生较大误差。
器件封装对效率测定有何影响？
封装材料的折射率、透光率及表面粗糙度直接影响光提取效率。未封装的裸片在空气中测试时，由于全反射严重，测得的EQE通常远低于封装后的数值。因此，对比不同器件的性能时，需明确封装状态是否一致。
如何判断测试数据的准确性？
可以通过以下方式进行验证：一是检查J-V曲线在正向与反向偏置下的特性是否符合理论预期；二是对比连续扫描与脉冲扫描数据，若差异明显则说明存在热效应或电荷积累；三是使用标准参考器件（如已知效率的商用LED）在相同条件下进行比对测试。
低亮度下信号弱，测量噪声大怎么办？
可以使用高灵敏度的光电倍增管（PMT）作为探测器，或增加锁相放大技术，将微弱的光信号从背景噪声中提取出来。同时，确保暗箱屏蔽良好，杜绝外界杂散光干扰。