关键词：电致发光外量子效率,EL-EQE,积分球,2π几何,Lambertian,角分辨发光,OLED,QLED,PeLED,绝对光谱辐射通量

同一个发光器件，为什么测出的EQE 可能不一样？

从正向测量、角分辨积分到2π 积分球绝对法，重新理解电致发光外量子效率的测量边界。

外量子效率（EQE）已经成为OLED、QLED、PeLED等电致发光器件最常见的核心性能指标之一。但当不同论文、不同实验室甚至不同设备给出EQE 时，一个经常被忽略的问题是：这些数字是否来自同一种“光子计数方式”？
EQE的物理定义并不复杂——外部出射光子数与注入载流子数之比。真正困难的是，如何可靠获得器件的外部出射光子通量。正向亮度/光谱测量、角分辨测量和积分球测量都可以进入EQE 表征，但它们保留的信息、依赖的假设和需要控制的误差源并不相同。对于专业研究，方法本身就是结果的一部分。

图1. EQE 定义相同，但外部光子通量存在不同测量路径。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

1. 先从定义出发：EQE真正要比较的是什么？

对于电致发光器件，EQE关注的是器件外部出射光子与外部电路注入载流子的比例。对典型平面显示型器件，实际研究通常关注前向出射半球中的光学输出，因此“外部光子数”必须与明确的收集几何对应。

分母相对直接：在指定工作点测量器件电流，可换算单位时间注入的电子数。分子更复杂：器件发出的光具有波长分布、空间分布和角度分布。不同测量路线的核心区别，正是如何把这些光学信息转换为与电流同步对应的总光子通量。

因此，比较EQE 之前首先应确认：测量的是哪个半球/几何下的外部输出，采用了什么光学收集方法，以及是否引入了角分布模型。

2. 三类常见路线：不是谁“天然更正确”，而是测量条件不同

第一类是正向局部测量。系统在器件法线方向测量亮度、光谱或辐射信号，再结合发光面积、立体角和角分布模型推算总输出。这类方案便于与IVL 测量结合，但如果用于EQE 外推，必须确认发光面积、空间均匀性和角分布假设。

第二类是角分辨光度或光谱测量。探测器随观察角度变化，获得发射强度或光谱随角度的分布，再进行角度积分。它的独特价值是保留方向性；如果器件的光谱本身随角度变化，仅测单一波长或单一方向就不足以描述完整输出。

第三类是积分球绝对法。对于典型平面显示器件，可采用2π 几何收集前向半球发射，并通过绝对校准的光谱系统得到总光谱辐射通量，再换算为光子通量。它的优势是计算EQE 时不需要用Lambertian 模型从单一方向外推总输出，但这并不意味着积分球不需要校准或不存在测量边界。

3. Lambertian 假设：为什么一个看似简单的π 因子会影响EQE？

理想Lambertian 发射满足法向最强、辐射强度随观察角度按cosθ 变化。若器件确实近似Lambertian，法线方向的亮度或强度可以通过相应关系外推前向半球总输出。

问题在于，实际OLED、QLED、PeLED并不必然满足理想Lambertian 分布。微腔效应、顶发射结构、发光偶极取向、光提取结构等都可能改变角分布，甚至使EL 光谱随角度发生变化。如果仍用固定Lambertian 模型外推，就可能形成系统偏差。

这里还要区分EQE 与光度学指标。若2π 积分球已经直接获得前向半球总光谱辐射通量，EQE的计算本身不需要Lambertian 外推；但如果希望从总光通量反推法线亮度或电流效率，角分布仍然会进入换算。两类问题不能混在一起。

图2. 正向外推EQE 时，角分布模型为何关键。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

4. 积分球绝对EQE：本质上是两条同步的“计数链”

积分球测量的逻辑可以拆成电学链和光学链。

电学链中，源表在指定工作点施加电压或电流并测得器件电流I，由I/e 得到单位时间注入电子数。

光学链中，器件前向发射进入积分球，经高漫反射内壁进行空间混合，由经过绝对辐射定标的光谱系统获得总光谱辐射通量Φe(λ)。由于波长λ 的单个光子能量为hc/λ，因此可以把功率谱转换成光子通量谱，再对波长积分获得外部光子速率。

最终，EQE是这两条链在同一器件状态、同一工作点下的比值。这里“绝对”的核心不是积分球这个部件本身，而是光谱响应、积分球状态、测量几何与电学链共同构成经过校准和验证的绝对测量链。

图3. 积分球绝对EL-EQE 的电学链与光学链。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

5. 为什么推荐2π 几何？4π收得更多，就一定更好吗？

对于典型平面显示型QLED 等器件，研究文献推荐使用2π 几何评价display-relevant EQE：器件位于积分球入口，测量前向半球输出。

这里有一个容易误解的点：4π几何“收得更多”并不自动意味着结果更适合显示器件评价。平面器件中可能存在基底波导或边缘导光。如果某种几何把这些并非从显示正面出射的光也计入结果，就会改变被定义的EQE。因此，2π与 4π首先是测量定义和应用场景问题，而不是简单的准确度排名。

同样，2π积分球也不是“把所有误差都消掉”。样品位置、端口、挡板、球壁污染、标准源与样品之间的吸收/反射差异、光谱系统线性以及机械状态变化，都需要进入校准和质量控制。

图4. 平面EL 器件2π 积分球测量几何及其边界。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

6. 同一个器件测出不同EQE，应该先查什么？

如果不同系统得到的EQE 不一致，最稳妥的做法不是立即判断某台设备“测错了”，而是逐项检查可验证条件。

首先看发光面积和空间均匀性。局部亮度视场只覆盖器件一部分，而电流来自整个器件时，分子和分母可能不再对应。

其次看角分布和角度光谱。如果采用正向外推，需要验证Lambertian 或其他角分布模型是否成立。

第三看收集几何。2π、4π、样品位置以及是否收集到基底边缘导光，都可能改变被计入的外部光。

第四看绝对响应校准与积分球状态，包括标准源、光谱响应、球壁污染、端口改变和样品替换引起的自吸收效应。

第五看器件状态和同步。电流、光谱与光功率应对应同一工作状态；器件漂移、自热、扫描顺序不同都会破坏可比性。

最后看动态范围和谱段覆盖。低亮度区的信噪比、探测器非线性或饱和，以及没有覆盖完整发射谱，都可能直接影响积分后的光子数。

图5. 同一器件EQE 结果差异的六类可验证因素。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

7. 方法到底怎么选？从研究问题出发，而不是先选仪器

如果研究问题本身就是发射方向、角度色偏或微腔效应，角分辨光谱/测角法不可替代，因为它保留了I(θ,λ) 等方向信息。

如果重点是典型平面EL 器件的前向半球总光子通量和绝对EQE，2π积分球光谱辐射法具有直接优势：它面向总输出，不需要依赖单一观察方向的Lambertian 外推。

如果主要任务是快速获得正向亮度、色度、IVL与 EL光谱，正向亮度/光谱系统仍然非常有价值；只是当它进一步承担绝对EQE 外推时，需要把发光面积、均匀性和角分布假设写清楚。

因此，三类方法更准确的关系是互补，而不是“先进/落后”或“准确/不准确”的二元排序。专业报告中应同时给出测量方法、几何、校准依据和驱动条件。

图6. 从研究问题出发选择EQE 测量方法。方法学示意，不代表具体器件实测数据。

8. 结语

当OLED、QLED、PeLED的 EQE不断刷新纪录时，测量方法的重要性反而更高。一个EQE数字只有与清楚的测量几何、光子通量获取方法、绝对校准和器件工作条件绑定在一起，才具有真正的可比较性。
对于研究者而言，最值得追问的并不是“积分球是不是唯一正确的方法”，而是：我的研究问题需要的是总光子通量、角度分布，还是正向亮度？当前方法引入了哪些假设？这些假设是否经过验证？当这些边界被说明清楚，EQE才从一个漂亮的峰值数字，变成可以复现、比较和用于器件物理判断的可靠测量结果。

9. 相关设备

电致发光量子效率测量系统HiYield-EL

HiYield-EL绝对法电致发光特性测量系统是东谱科技HiOE综合发光特性测量平台中的重要成员，用于对电致发光样品的发光特性进行精确测量。HiYield-EL系统能够以一流的检测精度对电致发光器件进行纵深测量，得到全面的绝对法测量的电致发光效率参数：

(1) 外量子效率（EQE）、电流效率、功率效率等；

(2) 电压（V）、电流（I）、电流密度（J）、电功率（W）、电功率密度等；

(3) 光谱功率分布、辐射通量、光通量、光视效能、峰值波长、主波长等；

(4) CIE色度坐标、相关色温（CCT）、显色指数（CRI）、RGB颜色值等；

(5) EQE-t、V-t、J-t、λ-t 、CE-t、LE-t、PE-t、CIE-t曲线等。

HiYield-EL

本文重点讨论的是积分球绝对EQE 的方法学边界。具体光谱范围、积分球尺寸、探测器及源表配置可根据实际测试对象和系统方案确定。

参考资料

1. Zhang, H. et al. On the accurate characterization of quantum-dot light-emitting diodes for display applications. npj Flexible Electronics 6, 30 (2022). DOI: 10.1038/s41528-022-00169-5.

2. Oriental Spectra. Absolute Electroluminescence Measurement System HiYield-EL / 电致发光量子效率测量仪HiYield-EL. Product documentation, accessed 2026.

3. CIE. Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules. CIE S 025/E:2015 (measurement principles referenced for integrating-sphere photometry and calibration context).

4. NIST. Realization of the Lumen - integrating-sphere based absolute photometric measurement and correction principles.