西交大吳朝新Nano?Energy：功率效率超過220?lm?W-1的白光有機電致發光二極管

引言

照明用電超過了全球電力總消耗的20%以上，已經廣泛應用于平板顯示產品的有機電致發光二極管（OLEDs）技術具有色溫可調節、輕薄面光源、柔性、低深藍光成分的特點，可以和無機LEDs優勢互補，在固態照明領域具有廣泛的應用前景。相比于白光LEDs，白光有機電致發光二極管（WOLEDs）的功率效率仍然偏低，一定程度上限制了WOLEDs的固態照明應用。在WOLEDs中，要獲得極限的功率效率，需要同時實現接近100%的內量子效率、盡可能低的器件驅動電壓和盡可能高的器件光提取效率。實際上，利用有機磷光和延遲熒光材料可以實現接近100%的內量子效率；采用激基復合物主體以及電摻雜技術也可實現低的器件驅動電壓。然而，WOLEDs中金屬電極引起的等離子體模式能量損失極大阻礙了光提取效率的提高，基于布拉格衍射機制的褶皺結構器件在有限降低等離子體模式能量損失的同時會破壞器件的平面型以及產生額外的漏電流，從而限制了WOLEDs效率的進一步突破。

研究內容

針對以上等離子體模式光提取的問題，吳朝新團隊研究了一種基于超厚有機多異質結空穴傳輸層的反型底發射WOLEDs器件結構，同時實現了高效的空穴注入和等離子體模式能量損失的抑制。一方面，超厚有機多異質結空穴傳輸層增加發光層和金屬電極之間的距離，極大抑制了近場等離子體模式能量損失。另一方面，通過電學特性研究，觀察到隨著有機異質結電荷產生層數量的增加，盡管空穴傳輸層厚度變大，在照明所需亮度對應的電流密度范圍內，器件驅動電壓不但沒有升高，甚至可以進一步抑制器件漏電流。在此基礎上并結合常規的外光提取技術，在空穴傳輸層厚度為240?nm的超厚反型器件中，實現了228.4?lm/W的峰值正向功率效率，相比于空穴傳輸層厚度為60?nm?的器件，功率效率提高了57%；同時，在1000?cd?m^-2的亮度下，實現了166.3 lm/W的正向功率效率，該結果經過第三方中科院蘇州納米研究所測試分析中心認證為165?lm/W，為目前國內外文獻報道的最高值。該工作提出的超厚反型底發射器件結構為實現高效率WOLEDs開辟一條新的途徑。

該項研究工作以題目為“Inverted?Bottom-Emitting White Organic Light-Emitting Diodes with Power?Efficiency over 220 lm W^-1”近期發表于國際期刊Nano?Energy (2020，doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105660)（影響因子 16.6，論文鏈接：?https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105660）。第一作者為于躍博士；西安交通大學吳朝新教授、焦博副教授和蘇州大學馮敏強教授為共同通訊作者，其中西安交通大學為第一作者和第一通訊作者單位。該工作得到國家重點研發計劃項目“高亮度小型器件關鍵技術”（編號2016YFB0400702）的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如發光二極管與太陽能電池，近期有多項重要成果發表于國際頂級期刊：JACS, Joule, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, ?Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究內容可參見吳朝新教授課題組主頁：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

圖文導讀

圖一.?(a)?超厚有機多異質結空穴傳輸層原理圖，(b)反型WOLEDs的器件結構和能級，(c)器件所用材料的分子結構。

圖二.?普通玻璃基板（折射率1.45）制備的反型WOLEDs (a)J-L-V曲線，(b)EQE曲線，(c) PE曲線，(d)驅動電壓為4V時的歸一化EL光譜，(e) 厚度為240?nm有機多異質結空穴傳輸層WOLED器件不同亮度下的EL光譜，插圖為1000?cd m^-2亮度下的WOLED照片，(f) 240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLED器件在驅動電壓為4V時的不同角度EL光譜。

圖三.?普通玻璃基板（折射率1.45）制備的反型WOLEDs (a)?60 nm和240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLEDs器件結構示意圖，(b)?60 nm和240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLEDs器件的?J-L-V曲線對比，(c) 60 nm和240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLEDs器件EQE和PE曲線對比，(d)?240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLED器件EQE曲線和TTA模型擬合，(e)?I-V曲線細節，(f)?不同有機多異質結空穴傳輸層厚度器件在1, 5, 10, 和100?mA cm^-2電流密度下的電壓曲線，(g)不同厚度（周期）有機多異質結堆疊器件的I-V曲線，(h)不同厚度（周期）有機多異質結堆疊器件在1, 5, 10, 和100?mA cm^-2電流密度下的電壓曲線，(i) 不同厚度（周期）有機多異質結堆疊器件的C-V曲線。

圖四.?高折射率玻璃基板（折射率1.75）制備的反型WOLEDs (a)J-L-V曲線，(b) PE曲線，(c)?60 nm和240?nm厚度有機多異質結空穴傳輸層WOLEDs器件EQE和PE曲線對比，(d) EQE曲線，(e) 和文獻報道的器件性能對比。

圖五.?理論仿真和峰值效率實驗結果對比 (a)普通玻璃基板（折射率1.45）WOLEDs器件，(b)高折射率玻璃基板（折射率1.75）WOLEDs器件。

本文由作者投稿。