新型柔性电极的开发及其在有机电子器件的应用

来源 :上海大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiu_yue9
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近年来,柔性有机电子器件,如柔性有机电致发光二极管(Flexible organic light-emitting diodes,FOLEDs)和柔性有机太阳能电池(Flexible organic solar cells,FOSCs)因其高柔性、可大面积生产、低制备成本等特点获得了全球范围内的广泛关注。FOLEDs具有轻薄、抗弯折、便携等特性,可以应用于平板显示和照明领域,被称为“梦幻显示器”。FOSCs可以应用于太阳能帆船、背包和建筑装饰等,是许多电子设备最理想的电力来源。尽管如此,目前柔性有机光电器件在大规模商业化应用方面还存在着许多技术难题,其中开发新型的柔性电极是解决商业化问题的关键因素之一。本文围绕柔性电极的制备以及在有机光电器件中的应用展开研究。首先,我们使用石墨(Graphite)电极,通过表面修饰等手段,实现了Graphite表面形貌、性能的优化控制。在此基础上,我们又结合聚合物Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)修饰的银纳米线(Ag nanowires,Ag NWs)电极作为顶电极应用于FOSCs器件中。为了进一步改善Ag NWs电极的综合性能,我们制备了一种基于Ag NWs、银纳米颗粒(Ag nanoparticles,Ag NPs)和石墨烯(Graphene)的混合维度复合电极(Mixed dimension composite electrode,MDCE),并确立了MDCE结构的最优性能。主要的研究内容包括:1、采用热蒸镀的方式在Graphite电极表面制备一层超薄Ag薄膜对其表面性能进行优化。通过精准控制Ag薄膜的厚度,研究了不同蒸镀厚度对Graphite电极的光电特性的影响。在极大地改善了Graphite电极薄膜的反射率的同时,保持了Graphite电极的良好导电性能和柔性。测试结果表明当Ag薄膜的厚度为1nm时,Graphite电极具有最优的光电性能,其表面方阻值为3.82Ωsq-1,,反射率达到57.9%,且在弯曲测试中依然保持了稳定的电导率。之后我们釆用该电极作为底电极制备了高效的红光、绿光、蓝光三种光色的顶发射FOLEDs器件。其红光、绿光和蓝光器件的最大电流效率分别达到了15.0 cd A-1,50.2 cd A-1和16.8cd A-1,这是目前为止报道的基于Polyethylene terephthalate(PET)基板制备的顶发射FOLEDs器件的最高效率。2、基于PEDOT:PSS修饰Ag NWs电极的顶入光FOSCs器件的制备和性能研究。通过将Ag薄膜修饰的石墨电极作为底电极,制备了poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b’]dith-iophene-co-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]:[6,6]-phenyl-C7l-but-yric acid methyl ester(PTB7-Th:PC71BM)为活性层的顶入光FOSCs器件,器件最大光电转化效率为5.31%。在此工作基础上,通过在polydimethylsiloxane(PDMS)薄膜上旋涂Ag NWs溶液的方法,制备了一种可转移的Ag NWs顶电极,并利用PEDOT:PSS对电极进行修饰。测试结果表明在可见光范围内该电极具有良好的透过率,较高的电导率和机械稳定性。随后整体转移该透明电极结构,利用机械压力将其覆盖在活性层之上,实现了全溶液法制备顶入光FOSCs器件。基于该顶电极制备的最优FOSCs器件效率可达3.76%。更为重要的是,使用全溶液法制备的顶入光FOSCs在其保持高柔性的同时,器件稳定性也得到了大幅度的提高,在空气中放置10天之后功率转化效率(Power conversion efficiency,PCE)依然能够保持原初始PCE的80%。3、基于上述的工作,为了进一步改善Ag NWs电极的综合光电性能,我们制备了一种透明的混合维度复合电极来取代传统的透明电极ITO,即利用Ag NWs与Ag NPs和Graphene相结合。Ag NPs能够有效地填充Ag NWs组成的交叉“网络”的空隙,增加Ag NWs之间的接触,利用Ag NPs的等离激元效应实现光放大和光增强,有效提高活性层的光吸收效率。石墨烯可以有效地修饰Ag NWs表面,提高Ag NWs电极的机械稳定性和空气稳定性。结果表明,基于这种电极的FOSCs器件效率达到了2.23%,且器件的稳定性也得到了大幅度提高。通过以上内容的研究,我们不仅很好的解决了传统电极结构机械脆性和稳定性的问题,而且制备出了多种柔性有机光电器件,为实现高性能柔性有机光电器件商业化应用提供了技术支撑,也为实现柔性大面积光电器件的制备提供了可能。本论文也为未来柔性电子皮肤、可穿戴智能设备的发展和应用提供了借鉴。
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