多位权威学者发声：各自为政！光电器件性能测试数据到底可不可靠？
飞翔的bird
2020-04-16
导读：在科学期刊中，具有优越性能的太阳能电池通常需要经过性能认证以得到各界的广泛认可。然而，发光二极管（LED）和光电探测器等光电器件的性能数据却没有经过统一的权威认证。尽管在期刊中依靠本领域专家进行的严格评审去帮助发现存在于论文中的科学问题，并对其中的可疑数据进行质疑，但是这种方法不是100%可靠。以LED为例，外量子效率（EQE）及器件寿命的测试方法与设备便各不相同。2019年，日本九州大学Toshinori Matsushima和Chihaya Adachi等人在Nature报道了超厚的有机发光二极管（OLED），其EQE约为40%，这一数据是使用积分球系统（A10094, Hamamatsu Photonics）进行测量得出的结果，即通过将器件的整体光通量全部收集，然后通过计算得到器件的EQE。其次，器件的寿命则是将在手套箱内的LED通过环氧树脂封装后，使用EAS-26B寿命测量系统在空气环境下以50 mA cm-2 的电流密度下进行测试。
2018年，日本山形大学Takayuki Chiba和Junji Kido等人在Nature Photonics报道，钙钛矿红光LED的EQE高达21.3%。据悉，器件效率的检测，是结合Hamamatsu PMA-11光子多通道分析仪（电致发光光谱）、MinoltaCS200亮度计及Keithley 2400数字源表测量得出。其中EQE的测量是依据标准朗伯体分布理论计算得出，与积分球计算方式截然不同。其次，器件寿命测试是通过环氧树脂封装后在EAS-203测量系统中以1.25 mA/cm2 的电流密度下进行。不可否认，这都是本领域的优秀工作。但是，我们也可以看出，对于LED性能的测量仍存在不同的手段，由于没有统一的标准及认证手段，这极易造成器件性能数据的偏差，无法真正去直观地对比不同光电器件的差异。因此，亟需通过一定的标准方式去有效地验证LED或光电探测器的优越性能，以实现该领域的更长远的发展。早在2018年12月，北卡罗来纳大学黄劲松和斯旺西大学Paul Meredith等人就在Nature Photonics撰写了关于光电探测器精准表征专题的相关评论，这表明了科学界对光电器件性能及测量方法的重视。作者认为，文献中报道的具有优越性能的光电探测器在某些关键参数包括灵敏度，探测率，噪声等效功率等参数上出现了潜在的错误，忽略了一些关键参数对频率和输入光强度之间的依赖性，并且在器件表征原理和方法上容易给读者造成误解。作者建议通过准确校准光源的强度，并仔细管理在低强度下的杂散光（反射，透射或散射）等一系列措施来避免错误数据及方法的出现。2019年11月，英国剑桥大学卡文迪许实验室Samuel D. Stranks等人又在Nature Photonics发声，描述了关于LED所需要的各项关键性能指标及正确测量它们的不同方法。关于量子效率的测试：作者建议，首先要在器件发射波长处对光电探测器进行仔细的光谱响应校准，并可以考虑使用校准良好的光谱辐射计来代替；其次，要精确测量器件的有效面积以防止EQE测量的误差；最后，有必要去使用不同的EQE测量方法进行交叉检查。为保证数据公正与透明，研究人员最好能提供相关器件及测试设备的详细信息（器件几何形状和设备校准方法等）。此外，理想情况下，EQE数据需要体现EQE对亮度及电流密度的依赖性，以了解器件发光特性及其局限性。关于器件发光颜色及强度的测试：作者建议在评估LED发光时应该估算辐射亮度（W sr-1 m-2），该辐射亮度对应于单位立体角上辐射出的光子的能量。对于发光波长在可见光范围内的LED，则可以使用亮度（cd m-2）作为发光单位。其次，作者认为器件EQE在实际意义的亮度范围下实现时才有意义，对于显示应用来说，亮度至少应为100 cdm-2；此外，作者不建议研究人员在主观上使用“低开启电压”这个名词，而应该使用具体亮度输出下相对应的电压。例如，亮度约为1或10 cd m-2下对应的具体电压；最后，作者建议器件的发光颜色可以使用国际照明委员会（CIE）建立的色坐标（x, y）来精确定义颜色。对于发射白光的器件，则可以使用色温（K）来进行参考。关于器件稳定性及寿命的测试：作者建议在进行器件寿命测试之前，需要进行快速和慢速的电压-电流正向和反向扫描，以确保在给定的电压或电流条件下器件的发光特性不会发生明显变化；其次，研究人员需要适当地记录设备随时间的运行稳定性。例如，在LED初始亮度为100 cd m-2时，应将亮度和EQE作为运行时间的函数，同时需要分别进行低亮度和高亮度下的寿命测试以进一步了解器件稳定性及其局限性；此外，作者强烈不建议将一种操作条件下测量的寿命推算到另一种操作条件下，除非寿命太长导致测试不切实际（这种情况需要使用加速因子以评估器件寿命），否则应该始终坚持直接测量器件工作寿命。最后，作者认为需要通过不同条件下的EL光谱来确认器件的发光稳定性，以防止器件在工作过程中发光颜色的变化导致的EQE误差及稳定性测量问题。 2019年11月同一天， Nature Photonics编辑部发表社论，正式将此问题提上议程。社论提出了关于LED等光电器件所需要的各项关键性能指标及正确测量它们的可靠方法，并征求广大科研人员的意见，以寻求最佳策略。为了确保LED和光电探测器性能数据的可靠性，目前有三种可能的方式：1. 将器件送到权威机构认证，通过仔细校准及测量并制作相关的性能证书。这种方法已经广泛应用在光伏领域中。对于LED和光电探测器而言，德国的弗劳恩霍夫研究所可以提供相关的测试服务，或者美国国家标准与技术研究院（NIST）及英国国家物理实验室（NPL）等。使用这种方式的支持者认为它提供了独立，明确的有效性认证，从而使人们更加相信器件的性能数据。然而，反对者则认为这种认证服务会增加成本和时间等，对于稳定性较差的器件的测量也会造成误差。2. 引入器件性能清单。即作者在完成论文时需要提交一份器件性能清单，该清单描述了文中器件样品关键测试的详细信息。审稿人在评估该论文时会仔细检查这份性能清单，并在论文被接受的情况下与论文一起发布。使用性能清单可以有效地提高器件数据的透明度并验证器件制备方法的合理性。但是，这类清单作为额外的工作负担，也有可能导致研究人员提交论文的时间被推迟。3. 采用循环测试。将性能卓越的器件发送到几个不同的实验室，以供多个课题组在论文发布之前对其进行验证。然而，这种方式可能会由于相关利益（例如知识产权）的竞争以及时间安排等问题，导致其在真正实践中难以实施。总之，尽管LED和光电探测器等光电器件的认证仍具有各种各样的困难和挑战，但是在科学界的共同努力下，它们的“春天”应该也不远了。1.Toshinori Matsushima et al. High performance from extraordinarily thick organiclight-emitting diodes. Nature 2019, 572, 502–506.https://doi.org/10.1038/s41586-019-1435-52.Takayuki Chiba et al. Anion-exchange red perovskite quantum dots with ammoniumiodine salts for highly efficient light-emitting devices. Nat. Photonics 2018,12, 681–687.https://doi.org/10.1038/s41566-018-0260-y3.Yanjun Fang et al. Accurate characterization of next-generation thin-filmphotodetectors. Nat. Photonics 2019, 13, 1–4.https://doi.org/10.1038/s41566-018-0288-z4.Miguel Anaya et al. Best practices for measuring emerging light-emitting diodetechnologies. Nat. Photonics 2019, 13, 818-821.https://doi.org/10.1038/s41566-019-0543-y5.A question of certification. Nat. Photonics 2019, 13, 817.https://doi.org/10.1038/s41566-019-0564-6
