论文摘要
近几十年来，有机光电领域的发展非常迅速，这是由于有机光电器件具有便携、制备成本低和大面积等优点，同时还具有无机光电器件不具备的柔性和透明等特点。但是在真正实现大规模商业化应用之前，有机光电器件中还存在着诸多问题需要解决，其中效率和稳定性问题尤为关键。本论文的工作主要围绕顶发射有机电致发光器件（TOLEDs）的效率和稳定性无法兼顾的问题，以及有机光伏器件（OPVs）光电转换效率低的问题开展研究，通过器件的微纳结构化制备，实现表面等离子体激元（SPPs）激发与调控，利用其共振场增强特性有效提高TOLEDs和OPVs的效率和稳定性。主要创新工作归纳为以下三部分：（1）利用SPPs模式与微腔模式耦合增加“厚”金属电极透过率，给出解决TOLEDs中效率和稳定性矛盾的一个有效方案。传统TOLEDs一般采用厚度小于20nm的金属作为顶电极。由于厚度太薄使得金属薄膜不连续，产生针孔形成水氧透过的通道，影响TOLEDs的稳定性。如果使用厚的金属膜作为电极，虽然薄膜连续性好，保证了TOLEDs的稳定性，但是厚金属膜的透过率低，导致TOLEDs的外量子效率显著下降。这就造成了TOLEDs中效率和稳定性相互制约的矛盾问题。本文通过在TOLEDs中引入周期性光栅结构，利用光栅诱导金属阴极/折射率匹配层界面SPPs与TOLEDs器件内部微腔模式的交叉耦合，增加了厚金属电极的透过率，使得TOLEDs的电流效率提高了40%。同时通过采用厚度为45nm的金属作为透明的电极，使得TOLEDs的寿命从90小时增加到了165小时（起始亮度1000cd/m2）。（2）利用SPPs场增强效应提高有源材料的光吸收效率，大幅度提高OPVs的光电转化效率。OPVs由于其具有廉价、便携、制备工艺简单和柔性等优点，有希望取代Si基太阳能电池成为下一代能源器件。然而，OPVs的光电转换效率仍然低于商业需求。主要的限制因素是光子吸收效率和激子捕获效率之间的相互制约。由于有机材料的的激子扩散长度比较短，小于10纳米，限制了有源层的厚度，进而限制了电池对太阳光的有效吸收。增加有源层厚度虽然可以增强光吸收，但会降低激子的捕获效率。本论文通过在有机薄膜太阳能电池中引入光栅结构，激发金属电极和有源层界面的SPPs，再通过改变光栅周期将SPPs的共振峰调节到材料的本征吸收峰处，在最优的光栅周期条件下，电池的光电流从平板器件的4.1mA/cm~2增加到了5.5mA/cm~2，能量转化效率提高了近35%。随后，我们又在双结叠层太阳能电池中引入周期性光栅结构，利用内层电池与金属阴极界面的SPPs的场增强作用，增加内层电池的吸收，从而实现了外层电池与内层电池光吸收的匹配。同时，通过调节SPPs的共振与电池微腔模式实现交叉耦合，进一步提高了叠层太阳能电池的整体吸收，使得叠层电池的光电流增加了10%，能量转化效率提高到了近12%，达到了6.1%。（3）利用SPPs作为天线层能量转移的媒介，拓宽有机薄膜太阳能电池的吸收光谱范围。一般的有机半导体材料，如小分子和聚合物，光吸收带宽较窄，这也是限制OPVs光电转换效率的一个重要因素。本论文针对这个问题，在有机薄膜太阳能电池顶电极引入外天线层结构，并选择与有源材料吸收谱互补的荧光染料作为天线层材料。利用光栅微结构激发天线层与顶电极界面的SPPs作为天线层向有源层能量转移的中间媒介，拓宽电池的吸收光谱范围，由此提高有源层的光吸收效率。研究结果表明，天线结构电池与普通结构电池相比，光电流从6.07mA/cm~2增加到了6.98mA/cm~2，光电转换效率提高了近16%。综上所述，我们系统研究了微纳结构金属电极表面SPPs激发，及其在有机电致发光和有机光伏器件的应用。利用SPPs和微腔模式的交叉耦合，解决TOLEDs效率和稳定性的矛盾问题；利用SPPs场增强效应，提高机光伏器件的光吸收效率。以上工作为优化有机光电器件性能做出了有益的探索。
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标签：有机电致发光器件论文; 有机太阳能电池论文; 表面等离子体论文; 周期性光栅论文; 天线论文;