ITO导电基板与有机光电器件的制备及特性研究

摘要

自从1986年美国柯达公司的邓青云博士等人首次成功制备有机双层异质结器件以来，有机光电器件由于具有广泛的应用前景受到科研院所和公司的广泛关注。有机小分子器件，如有机电致发光器件(Organiclight-emittingdiodes，OLEDs)、有机场效应管(Organicthinfilmtransistor，OTFT)、有机光伏器件(Organicphotovoltaiccells，OPVs)及有机激光器(Organiclaser)都得到了研究。其中，可用作照明和信息显示的OLEDs也称有机电致发光器件，具有自发光、响应快、全固态、制备工艺简单、宽视角、超薄、耐高低温、柔性等优点，被誉为最理想和最有潜力的下一代显示技术。而有机光伏器件，与无机的器件相比，具有可大面积制备、可弯折、低成本等优点。 但是，目前高的制造成本、有待于提高的器件效率、器件工作机理认识的不足，大大影响了有机光电器件的产业化进程。针对上述问题，本论文在刚性和柔性OLEDs的制备工艺和高效有机光伏器件方面进行了一系列的探索性的工作，具体包括： 1．采用直流加水磁控溅射法，制备了具有良好导电性和高透过率的氧化铟锡(ITO)薄膜。通过L18(35)的正交实验，系统性地研究了材料工艺参数(水分压、工作气压、基片温度、氧气流量和溅射功率等)对ITO薄膜光电性能的影响。采用了方阻标定、透过率、AFM(Atomicforcemicroscopy)、XRD(X-raydiffraction)等方法对ITO进行了测试和表征，并获得了优化的工艺参数。按优化工艺参数制备出的ITO导电基板在可见光区域的平均透过率为83％，方阻达到53Ω/□。采用该方法制备的ITO薄膜制备了结构为Mg：Ag/Alq(40nm)/NPB(15nm)/CuPc(xnm)/ITO(100nm)的倒置型OLED器件，并对CuPc的厚度进行了优化。当CuPc厚度为15nm时，驱动电压为14V下发光亮度达到了526cd/m2。 2．在低温条件下，采用加水直流磁控溅射法制备了基于柔性衬底的ITO导电薄膜。详细地研究了衬底温度、溅射功率和溅射压强等工艺参数对柔性衬底上ITO薄膜光电性能的影响。在导电薄膜厚度为100nm条件下，获得的最佳工艺参数如下：衬底温度50℃、溅射功率100W和溅射压强2mTorr。为了解决导电薄膜附着性差的问题，在柔性基板和ITO导电薄膜间加入一层紫外固化胶作为改性层。制备了结构为PET/bufferlayer/ITO/NPB/Alq/Mg：Ag的柔性有机电致发光器件，器件在12V电压下亮度达到了3286cd/m2。 3．对透明阴极结构及制备工艺进行了研究，在此基础上，制备了有机电致发光器件。根据矩阵光学理论，采用Matlab编程的方法计算了光学匹配层的参数。制备了结构为ITO/CuPc(20nm)/NPB(30nm)/Alq(40nm)/LiF(1nm)/Al(1nm)/Ag(24nm)/Alq(50nm)的透明有机电致发光器件。结果表明，当驱动电压为15V时，器件亮度达到了4536cd/cm2。 4．研究了CuPc、C60厚度对单异质结有机太阳能电池性能的影响。选用BCP、Alq、CuPc作为激子阻挡层制备了结构为ITO/CuPc/C60/EBL/Ag双异质结OPV器件，从原理上分析了激子阻挡层在提高器件性能上发挥的作用。 5．将磷光材料bis[2—(4—tertbutylphenyl)benzothiazolato—N，C2，]iridiumm(acetylacetonate)[(t—bt)2Ir(acac)]加入有机光伏器件，用于提高器件的转换效率。制备了结构为ITO/CuPc：x％(t—bt)2Ir(acac)/C60/BCP/Ag、ITO/(t—bt)2Ir(acac)/CuPc/C60/BCP/Ag和ITO/CuPc/(t—bt)2Ir(acac)/C60/BCP/Ag的OPV器件，分析了三线态材料对于提高OPV效率所起到的作用。综上所述，本工作通过ITO透明基板的制作，尤其是柔性基板的制作，为柔性光电器件的进一步研究，打下了坚实的工艺和理论基础；同时，在有机太阳能电池领域，也进行了有益的探索，为高效器件的研制做了前期的铺垫。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1透明导电薄膜

1.1.1透明导电薄膜的种类及研究进展

1.1.2柔性透明导电薄膜的研究进展

1.1.3透明导电薄膜的应用

1.2有机电致发光器件

1.2.1有机电致发光器件的种类

1.2.2有机电致发光器件的研究进展

1.3有机光伏器件

1.3.1染料敏化太阳能电池

1.3.2有机聚合物太阳能电池

1.3.3有机小分子太阳能电池

1.4本论文的主要工作

第二章玻璃衬底上ITO薄膜的研究及其在OLED中的应用

2.1引言

2.1.1 ITO薄膜的导电机理

2.1.2 ITO的制备方法

2.1.3溅射镀膜技术

2.2实验部分

2.2.1实验设备

2.2.2工艺流程

2.2.3性能表征

2.3溅射工艺对ITO薄膜性能的影响

2.3.1正交实验设计及结果分析

2.3.2溅射功率和衬底温度对薄膜性能的影响

2.3.3氧气流量对薄膜性能的影响

2.3.4溅射压强对薄膜性能的影响

2.3.5水分压对薄膜性能的影响

2.4低温加水直流磁控溅射ITO薄膜在刚性OLED中的应用

2.4.1倒置型OLED的研究进展

2.4.2器件的结构及制备

2.4.3器件的光电性能测试及分析

2.5本章小结

第三章柔性衬底上ITO薄膜的研究及其在OLED中的应用

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1工艺流程

3.2.2薄膜附着性的表征

3.3基于PET的溅射工艺对ITO薄膜的影响

3.3.1衬底温度对ITO薄膜光电性能的影响

3.3.2溅射功率对ITO薄膜光电性能的影响

3.3.3溅射压强对ITO薄膜光电性能的影响

3.4改性层对ITO薄膜的性能影响

3.4.1紫外固化胶的介绍

3.4.2改性层对ITO薄膜光学性能的影响

3.4.3改性层对ITO薄膜电学性能的影响

3.4.4改性层对ITO薄膜机械性的影响

3.4.5改性层对ITO薄膜表面形貌的影响

3.5柔性有机电致发光器件研究

3.5.1器件结构及制备

3.5.2器件性能测试及分析

3.6本章小结

第四章透明有机电致发光器件研究

4.1引言

4.2有机电致发光器件原理

4.3透明有机电致发光器件阴极膜系的理论计算

4.3.1光学导纳

4.3.2反射系数与透射系数

4.3.3多层膜系厚度的优化

4.4透明有机电致发光器件制备及性能表征

4.4.1实验部分

4.4.2器件测试及分析

4.5本章小结

第五章基于C60的有机太阳能电池性能的研究

5.1引言

5.2有机太阳能电池

5.2.1太阳能电池工作原理

5.2.2太阳能电池的主要性能参数

5.3实验部分

5.3.1实验设备

5.3.2工艺流程

5.3.3性能测试

5.4单异质结OPV器件性能研究

5.5双异质结OPV器件性能研究

5.6本章小节

第六章磷光材料对有机小分子太阳能电池的影响

6.1引言

6.2有机半导体的基本理论

6.2.1有机半导体能带结构

6.2.2基态与激发态

6.2.3激子能量转移

6.2.4荧光和磷光

6.3实验部分

6.3.1主要材料及性能

6.3.2磷光材料的合成及纯化

6.3.3磷光材料的性能表征

6.4磷光材料掺杂的有机太阳能电池性能研究

6.5磷光材料单层的有机太阳能电池性能研究

6.6本章小节

第七章结论和展望

致谢

参考文献

博士在学期间的研究成果