有机/氧化锌复合阴极界面层及其在聚合物光电器件中的应用

摘要

有机光电器件由于具有材料来源广泛廉价，器件结构简单轻便，易于大面积制备，以及可制备成柔性器件的优点，受到了越来越多的关注。在制备器件的过程中，溶液加工方法可以极大地提高材料的利用率、实现器件的快速制备。喷墨打印和丝网印刷等印刷技术是溶液法大规模制备器件的优先方案，历经近二三十年的发展取得了一系列重大突破和成就。有机聚合物发光二极管（PLED）和有机聚合物太阳能电池（PSCs）是其中的两个典型代表，在学术研究和商业界受到广泛关注。 在有机聚合物光电器件中，器件的效率和寿命不仅取决于发光层（活性层）的材料结构和性质，界面工程在其中扮演了不可或缺的作用。相比传统的正式器件结构，倒置结构具备更合适的能级匹配、更好的稳定性、更适用于溶液法印刷技术等优势，成为一部分有机光电器件中的主流结构。而氧化锌（ZnO）因为制备方法简单，廉价，化学性质稳定，高的电子迁移率和透过率，成为这种器件结构中研究最多的阴极界面层。但是溶液法制备的ZnO存在着自身结构缺陷，及与有机层界面浸润性差等缺点，导致器件效率和寿命有不同程度的降低，限制了ZnO在有机光电器件中的使用。本论文针对ZnO存在的缺陷，在界面修饰和器件制备等方面开展了以下工作： （1）采用不同的制备方法分别制备了溶胶凝胶和纳米粒子两种ZnO，考察不同ZnO对PLED器件性能的影响，测试内容包括可见光透过率、功函数、表面形貌、元素分析、电子迁移率、荧光光谱测试,PLED器件结构为：ITO/ZnO/F8BT/MoO3/Al。研究结果表明两种方法均制备了性能优良的ZnO薄膜，纳米粒子ZnO具有更好的结晶性，内部缺陷更少。但是由于ZnO与发光层之间存在较大能级势垒，电子注入困难，导致PLED器件性能不理想。进一步使用PEIE修饰ZnO作为复合阴极界面层应用于PLED器件中，利用PEIE大幅度降低ZnO的功函数，提升电子的注入效率。对比于纳米粒子ZnO标准器件发光效率提高约4倍，取得了较高的电致发光性能，证明PLED器件中载流子的传输平衡的优化对实现器件的高效发光具有重大的意义。 （2）采用课题组设计合成的聚芴类阴离子型共轭聚电解质PFEOSO3NH4掺杂ZnO制备复合阴极界面层，并将其应用于倒置结构的PSCs器件中，考察了PFEOSO3NH4对ZnO的修饰效果以及该复合阴极界面层对PSCs器件性能的影响。测试内容包括可见光透过率、功函数、表面形貌、元素分析、电子迁移率、接触角、荧光光谱测试，PSCs器件结构为ITO/ZnO:PFEOSO3NH4/活性层/MoO3/Ag。研究结果表明PFEOSO3NH4中的醚链和离子链与ZnO形成了强的相互作用，可以钝化ZnO的缺陷，降低功函数，提高电子迁移率。复合阴极界面层对PTB7-Th:PC71BM,P3HT:PC61BM体系器件性能均有提高，基于PTB7-Th:PC71BM活性层体系器件能量转换效率达到9.22%，相对于标准器件提高了16%。说明该复合阴极界面层可以有效的提高PSCs器件的性能。 （3）首次引入一种新型廉价无毒的固态醇:芘甲醇（PyM）修饰ZnO作为阴极界面层应用于倒置结构的PSCs器件中，考察了PyM对ZnO的修饰效果以及该复合阴极界面层对PSCs器件性能的影响。测试内容包括可见光透过率、功函数、表面形貌、元素分析、电子迁移率、接触角、顺磁共振、荧光光谱测试，PSCs器件结构为ITO/ZnO/PyM/活性层/MoO3/Ag。研究结果表明PyM结构中的共轭骨架和羟基可以通过氢键的作用自主装在ZnO表面，修饰ZnO的表面缺陷和提高ZnO的电子迁移率。复合阴极界面层对PTB7-Th:PC71BM、PTB7:PC71BM、PBDB-T:ITIC体系器件性能均有提高,基于PTB7-Th:PC71BM活性层体系器件能量转换效率达到了9.10%,相对于标准器件提高了17%。并且随着PyM浓度的提高，对器件效率没有很大的影响，意味着器件制备对PyM的浓度不敏感，这个结果对扩展有效的阴极界面层选择性和溶液法制备高效率的PSCs器件有着很大的帮助。

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