有機白光照明器件及其關(guān)鍵物理問題研究

白光有機電致發(fā)光器件(WOLED)作為照明器件具有綠色、面光源的特點，同時具有纖細輕巧耐用的構(gòu)型，可以與作為點光源的無機LED形成互補，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，因而WOLED用于照明方面的研究受到國際上廣泛的關(guān)注。吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)以及蘇州大學(xué)在國家自然科學(xué)基金委資助下，開展了有機白光照明器件及其關(guān)鍵物理問題研究，取得了如下研究成果：(1)利用自主合成的黃光磷光材料和新型陽極界面修飾技術(shù)，獲得了前向功率效率為37 lm/W的聚合物白光器件，為目前文獻公開報道的聚合物白光器件中的最好水平；(2)開發(fā)出全國第一臺基于印刷型的4英寸白光OLED照明燈；(3)闡明了在磷光熒光結(jié)合型白光OLED中，熒光藍光發(fā)光層的載流子傳輸特性對器件效率滾降的影響，器件前向功率效率達14.1 lm/W@1000 cd/m2，處于同期國內(nèi)領(lǐng)先水平。提出結(jié)合磷光藍光和熒光藍光發(fā)光層的白光器件結(jié)構(gòu)，在1000 cd/m2亮度下，前向功率效率為28.3 lm/W (總功率效率56 lm/W)，達到同期國內(nèi)領(lǐng)先水平。并申請發(fā)明專利一項；(4)提出金屬介質(zhì)多層膜電極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多峰共振的頂發(fā)射白光器件；提出Ag/Ge/Ag復(fù)合陰極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光譜角度特性穩(wěn)定的頂發(fā)射白光器件。器件性能達到同期國際領(lǐng)先水平；(5)制備了一系列高顯色指數(shù)白光器件：采用POAPF為母體，制備了具有雙極傳輸同質(zhì)結(jié)發(fā)光層的三基色白光器件，Ra=82，R9=75，在1000 cd/m2亮度下前向功率效率為15 lm/W；采用新型的深紅磷光發(fā)光材料，制備了四色白光OLED，Ra=96，R9=91，在1000 cd/m2亮度下前向功率效率為7.9 lm/W。器件綜合性能(顏色質(zhì)量和效率)達到國際領(lǐng)先水平；(6)研究了疊層OLED中基于過渡金屬氧化物(TMO)內(nèi)部連接層的電荷產(chǎn)生和分離機制，提出了基于TMO的內(nèi)部連接層的電場輔助電荷產(chǎn)生和分離新機制。 本課題發(fā)表學(xué)術(shù)論文85篇，其中SCI收錄78篇(影響因子大于3論文50篇)、EI/ISTP收錄3篇，被SCI他引300余次；申請發(fā)明專利12項；獲吉林省科技進步獎一等獎1項。培養(yǎng)了一批人才隊伍，1人入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃，1人入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)計劃”第三層次培養(yǎng)對象，1人獲青年973首席科學(xué)家，培養(yǎng)博士研究生4名，碩士研究生17名，一人獲江蘇省優(yōu)秀碩士論文。

白光OLED作為照明器件具有綠色、面光源的特點，同時具有纖細輕巧耐用的構(gòu)型，可以與作為點光源的無機LED形成互補，發(fā)揮各自的優(yōu)勢；近年來白光OLED取得了突破性進展，但其綜合性能距照明應(yīng)用還有較大差距，還需從材料合成和器件物理出發(fā)，開拓新的思路，合成高性能新型用于白光照明器件的材料，設(shè)計和制備新結(jié)構(gòu)器件并進行深入系統(tǒng)的研究。本項目將充分利用已有的工作基礎(chǔ)，主要從器件物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計角度進行深入系統(tǒng)的研究，以具有紅綠藍發(fā)光層的磷光/熒光結(jié)合型疊層白光器件以及低成本印刷型聚合物照明器件關(guān)鍵材料和制備技術(shù)為研究重點，研究超熒光藍光發(fā)射機理和有機半導(dǎo)體摻雜技術(shù)及物理，研究白光器件效率衰降機理，研究提高器件光取出效率和穩(wěn)定性的方法，希望通過本項目的實施，力爭在有機白光照明器件所涉及器件結(jié)構(gòu)、工藝、制造成本等關(guān)鍵物理與技術(shù)問題上有所突破，為我國自主創(chuàng)新的白光有機照明研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出貢獻。

透明白光OLED照明是富有創(chuàng)意的固態(tài)照明技術(shù)。它可用作建筑物窗戶、汽車天窗及辦公室玻璃隔墻照明，一方面為人們提供窗外舒適自然光或優(yōu)越空間感，另一方面還提供新型裝飾照明。然而，對于通常的透明OLED光源，光線會從面板兩面同時發(fā)出。在大多數(shù)只需單面照明的情況下，這樣會導(dǎo)致50%的光被損耗掉，從而造成光污染和能源浪費。因此，如能把雙面發(fā)光變成單面發(fā)光，透明白光器件的效率就可馬上提高一倍。本項目擬采用電致變色玻璃為OLED 襯底來調(diào)控透明OLED的發(fā)光方向，使之由兩面發(fā)光變?yōu)閱蚊姘l(fā)光。即在OLED 關(guān)閉時，玻璃呈現(xiàn)透明；OLED工作時，既可實現(xiàn)雙面發(fā)光，又可調(diào)控為頂發(fā)射單面發(fā)光。本項目擬將電致變色技術(shù)、OLED疊層技術(shù)和新型透明陽極技術(shù)集于一體，力求制備出功率效率達25 lm/W、整體透光率達60%的智能白光OLED 照明器件，從而加深對透明OLED的理解，為我國OLED照明產(chǎn)業(yè)化提供重要技術(shù)。

目前聚合物電致白光器件的發(fā)光效率已經(jīng)超過傳統(tǒng)的白熾燈，可作為新一代半導(dǎo)體照明光源，具有巨大的應(yīng)用前景。針對目前聚合物白光器件效率較小分子器件低的現(xiàn)狀，圍繞影響聚合物白光器件的性能的關(guān)鍵問題和技術(shù)難題，分別從材料體系和器件結(jié)構(gòu)角度進行深入系統(tǒng)的研究，以全磷光型器件和深藍聚合物基磷光熒光混合型器件為研究重點，運用基于有機半導(dǎo)體摻雜和過渡金屬層的pin器件結(jié)構(gòu)，結(jié)合色度學(xué)的基本原理，綜合優(yōu)化發(fā)光層的組分構(gòu)成及其光視效能，優(yōu)化載流子的注入和平衡輸運，抑制漏電流的損耗，探索增強聚合物電致白光器件效率的新方法和新途徑。本研究還致力于解決共軛聚合物材料由于受其三線態(tài)能級的影響，往往對客體材料激發(fā)態(tài)造成淬滅，難以用作藍光/白光器件主體材料的難題，研究制備基于共軛聚合物主體材料的白光器件的新方案。同時，還利用水/醇溶性的共軛聚合物和高功函數(shù)金屬制備疊層器件載流子產(chǎn)生層, 為實現(xiàn)高效疊層式器件做出有益的嘗試。

本項目圍繞影響聚合物白光器件的性能的關(guān)鍵問題和技術(shù)難題,分別從材料體系和器件結(jié)構(gòu)角度進行深入系統(tǒng)的研究,以全磷光型器件和深藍聚合物基磷光熒光混合型器件為研究重點,運用基于有機半導(dǎo)體摻雜和過渡金屬層的器件結(jié)構(gòu),結(jié)合色度學(xué)的基本原理,綜合優(yōu)化發(fā)光層的組分構(gòu)成及其光視效能,優(yōu)化載流子的注入和平衡輸運,探索增強聚合物電致白光器件效率的新方法和新途徑。本研究還致力于解決共軛聚合物材料由于受其三線態(tài)能級的影響,往往對客體材料激發(fā)態(tài)造成淬滅,難以用作藍光/白光器件主體材料的難題,研究制備基于共軛聚合物主體材料的白光器件的新方案。 總體上項目按照計劃書按年度執(zhí)行,獲得了一些重要的進展,如下： 1. 研制出基于高效深藍色聚芴材料為主體材料的雜化電致白光器件(最大電流效率達21.4cd/A, 總功率效率為21.4 lm/W,超過了白熾燈的效率水平； 2. 在上述工作的基礎(chǔ)上,通過引入PVK作為高三線態(tài)能級的空穴傳輸層,成功制備了基于聚芴材料為主體材料的高效電致藍光、白光器件。其中,藍光電致磷光器件的電流效率達到26.4cd/A, 是當時同類器件的最好水平之一。與基于非共軛的PVK基的器件相比,基于共軛聚合物材料為主體材料的磷光PLEDs啟亮電壓更低 (3.6 V vs. 4.4 V)。使用這種方法制備的電致全磷光白光器件的最大電流效率達到40.9cd/A, 最大功率效率達到31.4 lm/W,是當時同類器件的最好水平。 本項目的主要科學(xué)意義在于提出和探究提高聚合物白光器件性能的有效解決辦法。在器件水平上,縮小與無機半導(dǎo)體白光器件/小分子有機半導(dǎo)體白光器件在性能上的差距,為我國發(fā)展有機半導(dǎo)體照明技術(shù)提供技術(shù)支撐。 項目執(zhí)行期間,發(fā)表相關(guān)SCI論文20余篇,其中部分研究性論文發(fā)表在Adv. Func. Mater., Appl. Phys. Lett., Organ. Electron., Chem. Mater.等刊物上。由于在聚合物白光材料與器件方面取得的成果,項目負責人受邀為Adv. Mater.撰寫研究進展報告(Progress Report), 介紹團隊以及合作伙伴在這方面的研究進展 (Adv. Mater. 26, 2459-2473, 2014)。 項目執(zhí)行過程中,也存在若干不足,主要表現(xiàn)為研究團隊設(shè)計的疊層器件的技術(shù)路線過于復(fù)雜,制備的器件雖然能夠增加電流效率,