仿生蛾眼结构有机光电器件的光调控研究

摘要

有机电致发光器件(OLED)和有机光伏器件(OSC)为代表的有机功能器件在新型平板显示、固态照明、柔性显示、绿色能源等领域显示了极为广阔应用潜力。然而，如何克服传统平面器件结构的有限光提取或光吸收的固有缺陷，进一步提高OLED耦合出光效率和OSC的光吸收依然面临着严峻挑战。通过现代微纳光学加工手段在OLED和OSC器件中引入微纳结构，实现对光场的有效调控是实现高效器件的行之有效的手段。为了在OLED和OSC中实现宽光谱、广角的光调控，本文制备了准周期纳米仿生蛾眼结构，并通过软纳米压印光刻技术引入到OLED和OSC器件中，实现了高效器件的制备，主要研究内容包括以下六个方面：
　　本文第一章首先概要介绍OLED和OSC的发展历史、工作原理和器件结构，并概括了影响OLED发光效率和影响OSC光吸收的因素。其次阐述了光调控增强OLED耦合出光和OSC光俘获的研究背景、进展、现状和局限性。最后，提出了本文的研究内容和选题意义。
　　本文第二章首先采用银镜反应和刻蚀技术制备了硅基准周期仿生纳米蛾眼结构。其次通过系统测试和分析，优化了影响仿生纳米蛾眼形貌的工艺参数。最后，利用软纳米压印光刻技术制备了全氟聚醚(PFPE)的正模板和负模板，并对其性能进行了测试表征。
　　本文第三章开展了ITO玻璃基底单色蛾眼OLED器件的制备研究。详细阐述了纳米蛾眼OLED制备过程，并制备了磷光绿光单层、双叠层及三叠层OLED器件，测试表征了器件电学性能、光谱特性及角度依赖性。在此基础上，进一步制备蓝光和红光单层蛾眼 OLED器件。其中单层绿光双面纳米单层压印蛾眼OLED器件在1000 cd m-2的亮度下，外量子效率(EQE)达41.1％，出光效率增强比率达246%，三叠层纳米蛾眼OLED器件电流效率达366.0 cd A-1,是目前文献报道的最高效率之一，而且具有广谱广角特性。最后采用有限元差分法对光调控OLED器件的电场瞬态传输进行理论分析。
　　本文的第四章开展了ITO玻璃基底倒置仿生蛾眼WOLED的制备研究。首先制备了倒置纳米蛾眼与正置纳米蛾眼，并对它们的光学、耐刮擦及自清洁等性能进行了表征和研究。制备的倒置蛾眼 WOLED器件，功率效率由标准器件的17.53 lm W-1提高至最大值43.50 lm W-1,提升了2.48倍。
　　本文第五章开展了基于柔性Ag网栅电极蛾眼OLED的制备研究。首先制备了嵌入式Ag网栅电极，表征测试了电极的物理形貌、光学特性和电学特性。接着分别制备了大面积柔性绿光和白光蛾眼 OLED器件，并进一步引入微透镜作为光调控手段，其中绿光OLED功率效率达123.5 lm W-1(@1000 cd m-2),白光OLED功率效率高达106.0 lm W-1(@1000 cd m-2)，是目前文献报道的非ITO柔性OLED器件的最高效率之一。最后综合运用三维蒙特卡洛光线追迹、有限元差分算法和严格耦合波算法探究了微纳光调控 OLED器件的远场能量、色散关系和近场能流等分布情况，阐释了光调控的物理机制。
　　本文第六章开展了ITO玻璃基底仿生纳米蛾眼OSC器件制备研究。通过压印ZnO电子传输层，制备了活性层材料为PTB7:PC71BM的蛾眼结构OSC器件，在光调控作用下，器件的能量转换效率提高了18.3%,达9.33%。
　　最后，对本研究课题成果进行了总结，并探讨了存在的挑战及下一步工作方向。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 有机发光二极管(OLED)发展历程

1.3 有机光伏电池发展历程

1.4研究内容与选题意义

参考文献

第二章 仿生蛾眼结构制备与表征

2.1 引言

2.2 实验制备

2.3 测试表征

2.4 PFPE模板制备

2.5 本章小结

参考文献

第三章 单色ITO玻璃基底OLED

3.1 引言

3.2 绿光纳米蛾眼OLED制备与表征

3.3 蓝光单层纳米蛾眼OLED制备与表征

3.4 红光单层纳米蛾眼OLED制备与表征

3.5 光学特性

3.6 光学仿真

3.7 本章小结

参考文献

第四章 倒置蛾眼ITO玻璃基底白光OLED

4.1 引言

4.2 白光倒置纳米蛾眼OLED制备与表征

4.3 光学仿真分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 柔性Ag网栅蛾眼OLED

5.1 引言

5.2 嵌入式Ag网栅电极制备与表征

5.3 绿光柔性纳米蛾眼OLED制备与表征

5.4 光学仿真分析

5.5 白光柔性OLED制备与表征

5.6 绿光和白光柔性OLED性能总结

5.7 本章小结

参考文献

第六章 纳米蛾眼结构OSC

6.1 引言

6.2 PTB7:PC71BM电池制备与表征

6.3 光学仿真分析

6.4 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

攻读博士期间科研成果

致谢