基于载流子横向扩散行为的白光有机发光器件及其物理问题研究

The commercialization process in lighting application is still much slower for organic light-emitting device (OLED) compared with its performances in display application. One important reason is that OLED has serious efficiency roll-off problem at high luminance. Till now, researches on OLED always focus on carrier dynamics following the electric field direction. However, carrier lateral diffusion which is perpendicular to the electric field direction will happen as long as carrier concentration gradient exists. According to our preliminary findings, OLEDs with carrier lateral diffusion layer show much better luminous performances under high luminance. It indicates that carrier lateral diffusion behavior can effectively reduce the density of carriers and excitons so that it has the potential to reduce triplet-polaron and triplet-triplet annihilation and improve carrier utilization. Therefore, this research project will take the carrier lateral diffusion mechanism in OLED as research object, and make an in-depth study in four aspects: the fabrication and modification of lateral diffusion layers, the lateral diffusion mechanism and interface physics, the design and optimization of device plane structure, and the performance optimization of white device. The key physical and technical problems of using carrier lateral diffusion to improve device performance of high-luminance white OLEDs will be studied in this project. Based on this research, device efficiency at the high luminance of 10000 nit will attain more than 95% of their maximum efficiency.

相比于在显示领域的发展，有机电致发光(OLED)技术在照明领域的产业化进展明显滞后，其中OLED在高亮度时存在严重的效率滚降问题是其主要原因之一。目前关于OLED的研究主要集中于沿电场方向的载流子动力学行为。然而，在浓度梯度存在的前提下，载流子也存在垂直于电场的横向扩散行为。我们前期研究表明采用横向扩散层的OLED器件在高亮度下的发光性能具有显著的优势。这说明载流子的横向扩散行为可以有效地降低载流子或激子的浓度，有助于降低激子淬灭或湮灭以及提高载流子有效利用。因此，本研究以OLED器件中载流子横向扩散机制为研究对象，从横向扩散薄膜制备及调控、横向扩散机制及界面物理、器件平面结构设计及优化、白光器件性能优化四个方面进行深入系统的研究，解决利用横向扩散特性改善高亮度白光器件性能的关键物理和技术问题，使器件效率在亮度达到10000尼特时仍然达到最高效率的95%以上。

由于有机传输材料的空穴和电子迁移率之间存在差异，OLED的电流平衡通常由载流子在器件内部的积累(调控电场强度分布)或穿越器件的漏电流来实现。在 OLED 中，漏电流或内部载流子积累的存在不仅会产生严重的效率损耗，而且也会显著降低器件的工作寿命。在材料科学家开发出具有匹配的电子和空穴迁移率的有机半导体材料之前，从器件物理层面探寻新的电流平衡机制，具有重要意义。本项目以OLED器件中载流子横向扩散机制为研究对象，以利用横向扩散特性构建高亮度白光器件的新型电流平衡机制为目标，从横向扩散薄膜制备及调控、横向扩散机制及界面物理、器件平面结构设计及优化、白光器件性能优化四个方面进行深入系统的研究，解决高亮度白光器件所面临的关键物理和技术问题。按照研究计划开展了相关的研究工作，取得了如下研究成果：1)本项目通过组分及界面工程在PEDOT:PSS薄膜中首次实现了厘米尺度的空穴横向扩散行为。经过组分及界面工程优化后，PEDOT:PSS 薄膜的横向扩散系数可以从 <1.8 × 10⁻⁵ cm2/s提升两个数量级至~3×10−3 cm2/s。2) 这种扩散能力为新型电流平衡机制的建立提供了基础, 我们利用该薄膜首次制备了基于横向空穴扩散层的OLED 3) 基于横向扩散电流的新型电流平衡机制，可以有效地解决 OLED 中所存在的载流子积累及其产生的激子-极化子湮灭问题，使器件效率在亮度达到10000尼特时仍然达到最高效率的95%以上，有望推动OLED技术在照明领域的应用。本项目发表学术论文19篇，其中影响因子大于3的SCI论文15篇；以本项目研究为主题参加国内国际学术会议1人次，其中邀请报告1人次。