电子的注入与传输对有机光电子器件性能的影响

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随着有机半导体材料和薄膜光电子学的发展，被称为“塑料电子学”的有机光电子学在近二十年引起了广泛关注。有机光电子器件具备易实现大面积低成本生产、制备工艺简单、材料选择范围广等优点，因此在平板照明、射频标签和电子纸等方面具有广阔的应用前景，作为有机光电子器件重要组成部分的有机电致发光器件、有机太阳能电池和有机场效应晶体管均取得了很大的发展。载流子的注入和传输对有机光电子器件的器件性能起着重要的影响，低载流子浓度和低迁移率的有机半导体材料将会阻碍器件效率的提高。本论文以有机电致发光器件、有机太阳能电池和有机场效应晶体管为研究对象，主要研究了有机光电子器件中载流子尤其是电子的注入和传输问题，通过电子注入层进行优化，提升器件的性能和稳定性。论文主要的研究工作包括以下几个方面：
　　1．研究不同电子传输材料对有机电致发光器件(Organic light-emitting diode,OLED)器件性能的影响，采用蓝色磷光染料bis[(4,6-difluorophenyl)-pyridinato-N,C2’](FIrpic)和黄色磷光染料为bis[2-(4-tertbutylphenyl) benzothiazolato-N,C2’] iridium(acetylacetonate)[(t-bt)2Ir(acac)]为发光层的客体材料，选用给体材料1,1-bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane(TAPC)为FIrpic的主体材料，选用受体材料tri[3-(3-pyridyl)-mesityl]borane(3TPYMB)为(t-bt)2Ir(acac)的主体材料，并且分别采用不同的电子传输层材料bathophenanthroline(Bphen)和1,3,5-tris(2-N-phenylbenzimidazo-lyl)benzene(TPBi)制备了不同结构的双发光层的白光 OLED器件。结果表明，采用具有较高电子亲和势和高电子迁移率的Bphen作为电子传输层材料，器件可以获得更高的光电性能。此外，通过在器件的双发光层之间增加一个薄层的空穴传输层或电子传输层，作为间隔层，研究其对器件载流子传输和器件性能的影响。研究结果表明，该薄层的加入可以降低传输到发光层的多子（空穴或电子），从而提高器件中电子-空穴传输平衡，降低器件性能的衰减。结合器件的能级结构，对不同发光器件的内部发光机理和载流子传输特性进行了分析。
　　2．研究了 DCJTB的掺杂对以 CuPc作为给体材料的有机太阳能电池性能的影响，具体包括对器件的光吸收，激子的产生和载流子的传输的影响，有机薄膜光伏电池的效率。文中采用CuPc作为给体材料，C60作为受体材料，Bphen作为阴极缓冲层。为了研究不同掺杂浓度对有机太阳能电池性能的影响，制备了七种不同掺杂浓度的器件。器件结构为ITO/CuPc:DCJTB(Y％)(20 nm)/ C60(40 nm)/Bphen(2.5 nm)/Ag(100 nm)，其中Y是DCJTB掺杂到CuPc有机层中的浓度。实验中，掺杂比例是通过DCJTB和CuPc不同的蒸镀速率来控制的。研究结果表明，DCJTB的掺杂可以拓宽器件的吸收光谱，但由于 DCJTB的载流子迁移率较低，器件性能有所降低。但是这并不能完全否定通过掺杂方法提高器件的光吸收效率进而提高器件性能的可行性。若采用其它迁移率较高的材料进行掺杂，则可做到不影响载流子传输，增强器件的光吸收效率，最终提高器件的光电转换效率。
　　3．研究了不同阴极修饰材料Cs2CO3、石墨烯(graphene)：Cs2CO3混合材料和ZnO纳米颗粒对基于 SubPc/C60倒置结构有机太阳能电池性能的影响。研究结果表明，引入适当厚度的阴极修饰层，可以提高器件的性能和稳定性。其中，基于Cs2CO3以及graphene: Cs2CO3混合阴极修饰层的器件，能量转换效率(PCE)提高了2倍；采用 ZnO纳米颗粒作为阴极修饰层的器件，开路电压(VOC)达到0.89 V，能量转换效率提高了4倍多。此外，电极修饰材料和倒置结构的引入可以有效防止器件串联电阻的升高，并且提高器件的稳定性。
　　4．研究了采用三种有机电子传输材料TPBi、bathocuproine(BCP)和Bphen作为缓冲层，对基于C60的N型Organic field-effect transistor(OFET)性能的影响。研究了有机电子传输材料缓冲层的引入对器件的饱和电流、载流子迁移率、阈值电压与开关电流比等性能参数的影响。同时，对不同有机电子传输材料作为缓冲层的最佳厚度进行了优化，研究结果表明，TPBi的最佳优化厚度为5 nm， BCP与Bphen的最佳优化厚度均为3 nm，当采用Bphen作为缓冲层，器件性能达到最优，载流子迁移率高达0.65 cm2/Vs。在此基础上，设计了采用超薄层并五苯作为 C60有机半导体结晶诱导层，高性能的有机电子传输材料 Bphen作为有机半导体层与金属电极之间缓冲层的多层OFET器件结构，制备了迁移率高达5.2 cm2/Vs电子传输型OFET器件。

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作者
李青;
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作者单位

电子科技大学;

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授予单位电子科技大学;
学科光学工程
授予学位博士
导师姓名于军胜;
年度 2013
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类结构;
关键词
有机光电子器件; 电子传输; 掺杂器件; 倒置型; 界面修饰; 电子注入; 稳定性;
入库时间 2022-08-17 11:17:24

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