元件效率計算

第二章理論基礎

2.4 元件效率計算

有機光電元件的外部量子效率計算可依照各種物理理論將其分成幾個部份來討論，其算式如下：η_eqe=α‧γ‧η_ex‧φ_pl

α：光從發光層內經過有機材料與玻璃等層面後到達量測儀器的比例係數，

其式子為 1/(2n²)而數值會約略等於 20 %，式子內的 n 為材料折射率。

圖 9、出光效率示意圖

γ：載子注入至主動層內的再複合機率，若元件內的電子與電洞注入達平衡，其再複合率可視為 100 %。

ηex：激子發光效率，其依照前文所提到的電子激發態為單重態或為三重態會有所區分，若激子為單重激發態則機率為 25 %，而三重激發態則為 75 %，所以當為純螢光元件的情況時，ηex就約略為 25 %；當為磷光元件時，ηex則可達到約 100 %。

φpl：螢光或磷光的光激發光量子產率，與材料內部能量傳輸路徑有關。

根據上述四個部份可推出，螢光元件的外部量子效率理論最大值約為 5 %，而磷光元件的則約為 20 %。

圖 10、元件外部量子效率推算示意圖

2.5 白光元件的量化方式 2.5.1 色座標

國際照明委員會(Commission Internationale de l‘Eclairage, CIE)[60]是針對光學、照明的國際標準化、權威組織，其主要任務在於制訂照明領域的基礎標準與度量方式，並制訂此領域的國際標準和提供技術交流平台。

其所制定的色座標系統發展於 1931 年，為以科學化方法標示顏色的基本規範之一，說明一光源的顏色或在給定照明情況下物體表面所反射的光的顏色；在色座標圖 11(chromaticity diagram)中馬蹄型範圍內為可見光譜的所有顏色，而馬蹄型邊緣則為飽合的單色波長。此系統以光色座標 (x,y,z) 標示可由三主色組合成某一色的相對比例，而座標圖 11 上僅有 x 及 y 座標，其 z 值則可由恆等式 x + y + z = 1 導出。中央部份通稱白光，如白熾燈的白光其實散發較多的紅與極少的藍光，而冷白色螢光燈則正好相反。

圖 11、CIE 色座標示意圖

2.5.2 相對色溫度(correlated color temperature)

因為大部份光源所發出的光皆通稱為白光，故光源的絕對色溫或相對色溫度即用以量化光源的光色表現和其光色相對白的程度。根據普朗克的黑體輻射理論，將一具完全吸收與放射能力的標準黑體加熱，溫度逐漸升高光色亦隨之改變，以圖 12 上從右衍生到圖左下的曲線是為普朗克黑體

輻射軌跡線，在該線上的所有色座標即為絕對色溫。黑體加溫到出現與光源相同或接近光色時的溫度，定義為該光源的相對色溫，以絕對溫度 K 為單位。

圖 12、CIE 色座標系中的普朗克黑體輻射軌跡線

光色愈偏藍，色溫愈高；偏紅則色溫愈低。以一天當中晝光的光色隨時間變化為例：日出後 40 分鐘光色較黃，色溫 3000 K；正午陽光雪白，

上升至 4800～5800 K，陰天正午時分則約 6500 K；日落前光色偏紅，色溫又降至約 2200 K。

2.5.3 演色性(color rendering)

光源對物體的顯色能力稱為演色性[61]，係通過與同色溫的參考或基準光源(白熾燈或晝光)下物體外觀顏色的比較。光所發射的光譜內容決定光源的光色，但同樣光色可由許多、少數甚至僅僅兩個單色光波組合而成，

影響所及，對各個顏色的演色性亦大不相同。二相同光色的光源會有相異的光譜組成，光譜組成較廣的光源較有可能提供較佳的演色品質。

當光源的光譜中很少或缺乏物體在基準光源下所反射的主波時會使顏色產生明顯的色差(color shift)，當色差程度愈大代表光源對該色的演色性愈差。目前定義光源演色性評價普遍仍使用演色指數系統的方法：

演色指數(Color Rendering Index, CRI )：演色性指數為物件在某光源照射

下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩者之相對差異，其數值評定法為分別以參照光源及待測光源照在 DIN 6169 所規定之八個色樣(圖 13) 上逐一作比較並以下列式子來量化其差異性：

當 R^a差異性越小，即代表待測光源之演色性越好，CRI 為 100 之光源可以讓各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。CRI 值越低，所呈現之顏色越失真。太陽光之 CRI 為 100，螢光燈為 60-85，螢光粉白光 LED 為 60-90，雙色白光 LED 在 10-60 間。一般 CRI 值大於 85 可適用於大部分之應用，下表 1 為各演色指數與演色性評價所適用之範圍。

圖 13、計算 CRI 所需之八個測詴光源的頻譜表 1、演色指數與演色性評價所適用之範圍

指數(Ra) 等級演色性評價一般應用

90～100 1A 優需要色彩精確比對與檢核之場所

80～89 1B 良需要色彩正確判斷及討好表觀之場所

60～79 2 普需要中等演色性之場所

40～59 3 通演色性的要求較低，唯色差不可過大之場所

20～39 4 較差演色性不重要，明顯色差亦可接受之場所

第三章實驗內容與結果分析

2. 紫外光臭氧清洗機(Novascan PSD-UV3)

基板上的有機污染分子(如光阻劑、人類表皮油脂、清潔劑殘留物等)

3.2 實驗步驟與量測

7.夾起之基板迅速置於紫外光臭氧清洗機上(UVO-zone )，且確保 ITO 面朝上面對燈管，蓋上清洗機上蓋並設定操作時間三十分鐘後開始

台上以攝氏一百五十度烤三十分鐘。 hexafluorophosphate (BMIM⁺(PF₆^─))離子性溶液可提高元件內的離子遷移率及反應速度[27]，所以內有摻雜 BMIM⁺(PF₆^─)的主客體薄膜也使用同樣方式塗佈在石英片基板上來量測其光物理特性；以上各種條件的材料溶液及薄膜的光激發光量子產率皆是使用積分球(HAMAMATSU C9920)量測

所得到的數值。

元件的效率及電激發光頻譜量測平台如圖 15 所示，而元件探觸的量測方式也如圖 16 所示；將待量測基板置於與 Agilent 4155C 通道三所連接的光電二極體上方，而通道二連接的導線之探針視為陽極端，將直接接觸基板上露出 ITO 的表面上，另外通道一連接的導線之探針尖端處用銲錫故定店伸出一條金線，此金線視為陰極端並直接接觸元件的鋁電極表面，接者經由電腦內的 Agilent Desktop EasyEXPER 程式透過 GPIB 卡來遙控 Agilent 4155C，並以固定驅動電壓輸出做十小時的元件光和電性量測，接者將基板移至光纖上方，並選擇一未操作過的元件以同上的方式連接陰陽極，在以電腦內的 EasyEXPER 使用同上的條件驅動元件，同時以 OOIBase32 程式與 Ocean Optical USB2000+紀錄頻譜變化，經過以上步驟可得到元件在固定驅動電壓下隨時間變化的電流、光電流以及頻譜。

因效率的計算與頻譜有關，而元件的頻譜是會因載子注入隨時間改變而改變，所以經由上述量測方式得到的電流及光電流需分為每一固定時間為一段，並搭配上該段時間的頻譜做效率運算，因此會得到數個不同時間效率數據，再依時間順序依序接起則可得到一完整十小時數據變化。

圖 15、量測平台示意圖

圖 16、元件處於量測時的局部放大示意圖

3.4 元件結構

本文的 LEC 元件皆是如三明治一般將發光層用陰、陽電極夾於中心的結構，且為下發光元件的形式，當發光層被驅動後光會朝四面八方發射，

而金屬陰極會將光反射至朝下；本文內的白光 LEC 元件的各層結構如下表示： ITO/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) (30 nm)/發光層(200 nm)/鋁(100 nm)

其示意圖如下圖 17 所示：

圖 17、元件結構示意圖

1. 陰極(Al Cathode)：一般有機元件為了能使電子有效的注入發光層的最

3.5 材料介紹及其光物理特性 物，其中的 dfppz 為 1-(2,4-difluorophenyl)pyrazole 而 dtb-bpy 為 [4,4′-di(tert-butyl)-2,2′-bipyridine]，此材料於先前的文獻 Tamayo 等人做為主體材料而被發表[29]。

2. 2 號錯合物[Ir(ppy)2(biq)]⁺(PF6─

)為發紅光的錯合物，其中的 ppy 為 2-phenylpyridine 而 biq 為 2,2′-biquinoline，此材料於 Su 等人的白光 LEC 文獻被作為發紅光的客體材料[41]。

3. 3 號錯合物[Ir(ppy)₂(dasb)]⁺(PF₆^─)為發橘光的高效率錯合物，其中的 dasb 為 4,5-diaza-9,9’-spirobifluorene，此材料在文獻中作為主客體 LEC 元件的客體材料，因其可調整白光 LEC 內的載子平衡而提升元件效率，

使元件外部量子效率大於 10%[37]。

4. BMIM⁺(PF6

─)其中的 BMIM 為 1-butyl-3-methylimidazolium 而 PF6為 hexafluorophosphate，材料的結構式如圖 18 所示；此材料為一種黏稠、

無色且不溶於水的離子性液體，其可為 LEC 元件提供額外離子以幫助傳輸。

5. PEDOT:PSS 為高分子聚合物且導電率極高的水溶液，可根據不同的調配方式得到導電率不同之水溶液。該產品是由 PEDOT 和 PSS 兩種物質構成，PEDOT 是 EDOT（3,4-ethylenedioxylthiophene）的聚合物，

而 PSS 為 poly(styrenesulfonate)。

前三種錯合物於薄膜態及溶於溶劑(10^-5 M 的二氯甲烷)的光物理特性

摻雜在白光 LEC 作為發紅光的客體材料[41]；3 號錯合物的橘色光激發光的濃度(0.05 wt.%)相較於單一摻雜薄膜的紅光客體濃度(0.2 wt.%)要低，但藉由雙重摻雜薄膜中的發橘光客體提供了部份光激發光的紅光，因而提升

圖 18、分子結構式分別為 1 號錯合物[Ir(dfppz)₂(dtb-bpy)]⁺(PF6

圖 19、離子性溶液 BMIM⁺(PF6─

)之結構式

圖 20、PEDOT:PSS 之結構式

表 2、本文內的錯合物光物理特性整理

Complex

λmax, PL (nm)^a, Φ^b

Solution^c Neat film or host-guest film Film with BMIM⁺(PF6─

)^d

1 492, 1.00 492, 0.75 －

2 656, 0.20 672, 0.09 －

3 558, 0.52 593, 0.32 －

2 (0.2 wt.%) : 1 － (487, 600), 0.61 (485, 598), 0.64

2 (0.05 wt.%) and 3 (0.1 wt.%): 1

－ (506, 592), 0.64 (505, 592), 0.69

a光激發光頻譜峰值的波長數值。 ^b光激發光的量子產率。 ^c材料在溶於二氯甲烷(10^-5 M) 的情況下。^d薄膜內除了主要材料外含有 20 wt.%的 BMIM⁺(PF₆^─)鹽類情況下。

圖 21、1 號、2 號和 3 號錯合物溶於二氯甲烷(10^-5M)與純膜的光激發光頻譜

400 500 600 700 800 900 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1.2

^{1, Sol.} ^{2, Sol.} ^{3, Sol.}

1, Film 2, Film 3, Film

PL Int ensit y (a.u .)

Wavelength (nm)

圖 22、為以下四種情況製成薄膜的光激發光頻譜：單一摻雜[2 號(0.2 wt.%)]

和雙重摻雜[2 號(0.05 wt.%)與 3 號(0.1 wt.%)] 分別加入主體 1 號錯合物並且再區分是否有摻入離子性溶液 BMIM⁺(PF6─

) (20 wt.%)

400 500 600 700 800

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

3.0

Without BMIM⁺PF₆

Single doping Double doping With BMIM⁺PF₆

Single doping Double doping

PL Int ensit y (a.u .)

Wavelength (nm)

3.6 元件電激發光分析 標(0.328, 0.423)和(0.318, 0.427)，再者對固態照明極為重要的演色性係數 (CRI)而言，兩種元件在 3.1 伏特到 3.3 伏特間的演色性係數都可以維持在

當電流密度漸增且載子注入越多的情況下，載子就越容易能填入較高的 3 伏特的(1.7 %、1.7 cd/A、1.9 lm/W)、3.0 伏特的(3.2 %、5.4 cd/A、5.4 lm/W) 和 3.1 伏特的(3.2 %、6.2 cd/A、5.9 lm/W)，而元件二的情況分別為 2.9 伏特的(5.6 %、9.2 cd/A、10.0 lm/W)、3.0 伏特的(7.4 %、14.8 cd/A、15.0 lm/W) 和 3.1 伏特的(6.3 %、13.4 cd/A、12.8 lm/W)，其單一摻雜元件 I 的效率就和先前離子過渡金屬錯合物為基準的單一摻雜白光 LEC 約略相同，而雙重摻雜元件 II 的效率卻高於單一摻雜元件 I 的兩倍多，且比現有文獻發表的白光 LEC 還要高[14][15][41][47][51]，由於雙重摻雜薄膜和單一摻雜薄膜的光激發光效率相差不是很大，但在元件發光效率卻有極大的差距，此種效率增益證實了 3 號錯合物的摻雜使載子濃度獲得更好的平衡，況且摻

在文檔中高效率雙重摻雜固態白光電化學元件 (頁 23-0)

第二章 理論基礎

2.4 元件效率計算

第三章 實驗內容與結果分析

400 500 600 700 800 900 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1.2

PL Int ensit y (a.u .)

Wavelength (nm)

400 500 600 700 800

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

3.0

PL Int ensit y (a.u .)

Wavelength (nm)

第二章理論基礎

第三章實驗內容與結果分析