有机发光二极管及太阳能电池中的界面调控

摘要

有机电致发光二极管和太阳能电池是以有机半导体材料为核心的光电转换器件，具有质轻、柔性、成本低等优点。无论是对于聚合物发光二极管还是太阳能电池，其体内均存在着无机/有机，有机/有机，有机/金属等各种类型的界面。研究表明，层与层之间的界面在器件的效率和寿命扮演着举足轻重的作用。本文的研究工作主要是围绕有机发光二极管和太阳能电池的阴极界面调控，和有机太阳能电池的给受体两相界面调控展开的。关于阴极界面调控，合成了一类阴离子型共轭聚电解质PFEOSO3Na，并将之成功地应用到有机发光二极管和太阳能电池中，它可以有效地降低有机层和Al电极之间的界面势垒，有利于电子的注入或者提取，从而显著提升器件的效率。关于给受体两相界面调控，向活性层中引入了两亲性两嵌段聚合物 P3HT-PEO和富勒烯衍生物 PCB-C8oc这两类界面兼容剂，利用它们与给受体之间的分子间相互作用，使之能够分布在给受体的两相界面上，降低两相间的界面张力，从而稳定活性层的形貌。
　　本研究主要内容包括：⑴利用Suzuki偶联设计并合成了3种基于聚芴主链结构的水/醇溶性共轭聚合物PFEO、PFOCSO3Na和PFEOSO3Na，并将它们作为阴极界面材料用于PFGreenB的PLED。通过对这类化合物的光学性质和电化学性质的分析，我们发现这类聚合物的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱和能带结构主要是由共轭主链结构决定的。通过和非共轭的醇溶性聚合物PEO的对比，发现聚芴共轭主链结构的引入有利于增强界面层材料和疏水性PFGreenB发光层之间的粘附力，改善界面层材料的润湿能力，有利于其在发光层上形成均匀的薄膜。通过对器件性能的分析，特别是 PFOCSO3Na/Al和PFEOSO3Na/Al器件效率的巨大差别，我们发现在阴离子共轭聚电解质中，类PEO单元引入可以促进离子迁移，使更多的反离子迁移至阴极界面，从而形成更强的界面偶极，显著降低电子注入势垒。⑵鉴于PFEOSO3Na在PLED器件中取得的良好效果，将PFEOSO3Na作为阴极界面修饰层用于有机太阳能电池中，研究了其对P3HT:PCBM、PCDTBT:PC71BM、PCDTTT-C:PC71BM体系的器件效率的影响。还研究了PFEOSO3Na对导电衬底（ITO，AZO）和金属（Au）功函的修饰，并制备了 ITO/PFEOSO3Na作为阴极，PBDTTT-C:PC71BM为活性层的高效率的反式有机太阳能电池器件。同样也将PFEOSO3Na用于平板结构的钙钛矿电池中，修饰PCBM和Al阴极界面，并取得了不错的器件效果。⑶合成了分子结构确定，且分子量分布窄（PDI=1.21）的两亲性两嵌段聚合物P3HT-PEO，并将之作为兼容剂应用到了P3HT:PCBM体系。发现P3HT-PEO的引入可以明显提升器件的效率，同时由于P3HT-PEO与P3HT/PCBM之间的超分子相互作用，使P3HT-PEO分布在P3HT/PCBM两相界面上，从而有效地降低两相的界面张力，稳定活性层的形貌，得到高效率且热稳定好的 P3HT:PCBM太阳能电池器件。此外，将P3HT-PEO引入到P3HT:ICBA体系中，通过溶剂退火，使PEO链段在活性层表面富集，利用PEO链段在改变界面势垒的功能，制备出高效的Al阴极器件。⑷通过对PCBM分子进行修饰，将末端的OCH3替换为C8oc，合成了新型的富勒烯衍生物 PCB-C8oc，它具有和PCBM相近的光学带宽和能带结构。当把它加入到P3HT:PCBM共混膜中，其末端的C8烷基链和噻吩单元上的C6烷基链有着较强的分子间相互作用，可以诱导P3HT链段结晶，从而提升未退火P3HT:PCBM器件的效率；同时由于其具有PCBM分子的主体结构，它可以分布在给受体的两相界面上，降低两相的界面张力，提升薄膜的热稳定性。故PCB-C8oc具有添加剂和兼容剂的双重功能。此外，将PCB-C8oc添加到PTB7:PCBM的共混体系中，器件的效率和热稳定性均有所提升。