青云博士)
N
Mg Ag AlQ 芳香二胺 ITO 玻璃
N N
AlQ3
C W Tang 等人首创的双层器件及所用的材料
开启电压： 10V 最大亮度：1000cd./m-2 效率： 1% 芳香二胺
OLED：Organic Light Emitting Display，即有机发光显示器，被誉为 “梦幻显示器”。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯， 采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料
3体异质结结构 4扩散双层异质结结构
1 单层器件结构
金属/半导体/金属（MIM）结构。在单层结构的器件中，主要依 靠两电极的功函数差或者活性层与金属电极间形成的肖特基势
垒产生的内建电场将激子分离成自由载流子。
缺点：由于活性层组分单一，载 流子复合严重；有机材料低的载 流子迁移率也导致了较大的串联 电阻，因此单层器件通常表现为 填充因子低，器件能量转换效率
穴对的生成速率加快，空穴迁移率得到很 大的提高，所得的器件性能最佳。
热退火处理
P3HT:PCBM体异质结太阳电池进行75ºC退火处理，器件效率提高了6倍以上。 Yang等利用TEM和SAED研究发现，P3HT:PCBM活性层进行热退火处理后， P3HT形成了长的纤维状晶须，限制了PCBM的扩散聚集，
材料在性质上相互补偿。例如拓宽聚合物的光谱吸收范围，提高载流子
迁移率等。从图 中可以看出，辐射到地表的太阳光绝大部分能量集中在 波长为400nm 到 1300nm 范围之间，而从 600nm 到 1300nm 波长范围的 太阳光能量分布之和约占整个太阳光能量的54%。材料在近红外区加强 吸收则有助于提高太阳能电池效率
极管、太阳能电池等）
HOMO-LUMO能隙（>3.0 eV）
影响活性层形貌的因素主要包括内在因素和外在因素
1 内在因素是指给受体材料本身的性质，包括分子结构、
结晶性、给受体材料间的相容性等。
2 外在因素是指器件制备过程中所有的外部因素，包括
溶剂的选择、溶液浓度、溶剂的挥发速率、给受体组分
比、后处理，加入添加剂等
内在因素
2007 年，NguyenP等研究了五种具有不同烷基侧链长度的聚噻吩（P3AT） 衍生物，分子结构的差别对P3AT:PCBM混合膜形貌的影响。P3BT，P3HT，P3OT， P3DT，P3DDT的烷基侧链分别为丁基、己基、辛基、癸基、十二烷基。图1.47给出 了原子力显微镜（AFM）测得的五种P3AT衍生物与PCBM混合膜的表面形貌。可以 看出，P3DDT:PCBM混合膜表现出明显的相分离其余四种混合膜的
有机光电材料设计、性能及应用
张海全
报告内容
1 有机光电材料研究应用背景
2 宽禁带有机光电材料设计、合成、性能
3 有机光材料薄膜结构与力学性能
1 有机光电材料研究背景
绝缘体
n PE
PP; PS
PA
掺杂后---- 导体
n
PTh (聚噻吩及其衍生物) Ppy( 聚吡咯及其衍生物)
共轭有机材料应用： 1.掺杂态具有导电性质： 有机导体、透明电极、雷达吸收材料、 化学和电化学传感
聚合物给体材料
有机/聚合物太阳能电池活性层形貌的影响因素
有机/聚合物太阳能电池的性能很大程度上依赖于活性层形貌。活性 层中给受体材料吸收光子产生激子，激子在有限的扩散长度范围内 到达给受体界面，便可分离成自由载流子（电子和空穴），载流子 在各自的主体相中传输至电极。如果各自的主体相不连续，会导致 载流子迁移率降低，容易引起空穴和电子复合，造成光电流损失。 这就要求活性层中给受体两相既要具有较大的接触界面，又要具有 双连续的载流子传输通道
给体与受体材料的界面)，电子和空穴对便
会在界面处发生分离，生成的自由载流子在 活性层中传输，被各自的电极收集
有机/聚合物太阳能电池的器件结构
有机/聚合物太阳能电池主要由三部分组成，分别为有机活性层，阴极和
阳极。活性层是太阳能电池的核心部分
活性层组分与结构的不同，可以将太阳能电池 1 单层结构
2双层异质结结构
低聚噻吩衍生物
D-A型有机小分子
有机小分子受体材料
理想受体材料需要具有较窄的带隙，LUMO能级至少低于活性层中给体 材料LUMO能级0.3eV,并具有良好的电子传输性能，以保证材料吸收大 量的光子而产生的激子能够在D/A界面处发生有效的电荷转移、分离并 快速传输到阴极
主要包括富勒烯及其衍生物、苝的衍生物,D-A型小分子等。
Voc = 1.01 V，ISC = 6.3 mA/cm 2，FF = 0.44，PCE=2.84%
a) CF, b) CFCB, c) CFTO, and d) CFXY
给受体材料组分比
等利用透射电子显微镜（TEM）和选区电 子衍射（SAED）研究了MDMO-PPV:PCBM 混合膜的形貌特征。 图1.51 给出了不同组分比的MDMOPPV:PCBM混合膜中两相分离情况。可以
富勒烯及其衍生物
C60
PC61BM
PC71BM
除了富勒烯衍生物外，其它一些受体材料（图1.40）由于具有易合 成、低成本、溶解性好、吸收宽、载流子迁移率较高、与特定给体 材料能级匹配等特点，也被应用于有机/聚合物有机太阳能电池。
聚合物给体材料
由于受体材料主要局限于富勒烯衍生物，因此聚合物的开发需要和受体
利用混合溶剂对APFO-3:PCBM的混合膜进行微相调节（图1.50），通过选 择蒸汽压及对材料溶解度不同的氯仿（CF）、氯仿/氯苯（CFCB）、氯仿 /甲苯（CFTO）、氯仿/二甲苯溶剂（CFXY）来制备APFO-3:PCBM体异质 结器件，发现以CFCB为溶剂制备的活性层表面最平整、相分离尺度最小， 器件性能最好.
（例如电子鼻）及防腐
2.中性态具有本征半导体的特征： 发光二极管、光伏电池、场效应晶体管
有机聚合物半导体材料及所致器件的优点
OC8H17 OC8H17 CN
H3CO
NC
n
H3CO
CN-PPV n PPV
OC8H17
n
H3CO
MEH-PPV
有机材料修饰的无限性， ------有机聚合 物半导体种类也是无限的
看出，PCBM的含量低于60%时，混合膜
为均一的薄膜，没有明显的相分离。 PCBM含量增至75%以上时，可以清楚地 观察到PCBM的聚集区（暗区域，电子散 射密度高），SAED分析表明这些PCBM聚 集区含有很多不规则取向的PCBM纳米晶。 PCBM含量为80%时，尽管MDMO-
PPV:PCBM的接触界面减小，但是电子-空
PCBM纳米晶均匀地分散在P3HT晶须之间，形成了较好的互穿网络结构。器
件性能得到大幅度提升.
1 宽禁带有机光电材料合成、性能及应用
研究背景
R OC8H17 OC8H17 CN
n
R
PP
R R
H3CO
NC
n
H3CO
CN-PPV n PPV n n
OC8H17
PF
H3CO
MEH-PPV
(1) 有机共轭聚合物具有本征的半导体特性，可用于光电转换器（发光二
（光伏器件） 太阳能电池
1954年，Bell实验室的 工作人员研制了首个 单晶硅太阳能电池 能量转换效率 为6%左
无机半导体材料
在实验室条件下已达到了24.7% 砷化镓（GaAs）的无机半导体电池 能量转换效率可以达到30% 太阳能电池的种类 缺点：制造条件苛刻、生产工艺复杂、生 产成本高、非柔韧性性和不易加工等 1986年，由于C.W.Tang，第一个有 机小分子太阳能电池诞生了，当时 的能量转换效率仅为1%。
有机材料的电致发光
发光层（蒽）的化学 结构
研究：60 年代 厚度：10-20μm 启动电压： 400V 外量子效率：0.03% 总之，在 上世纪 60-80年代， 有机EL徘徊在高电压，低亮度，低效 率的水平。
美国Eastman Kodak公司显示科 学与技术中心的Dr.C.W.Tang (邓
N O N Al O O
就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能
够显著节省电能。（维信诺公司--清华大学有机发光显示器技术成立的）
邱勇
聚合物的电致发光
研究：1990年，英国剑桥大学的Burroughs 等人报道了利用旋涂
的方法以PPV为发光层制备有机聚合物电致发光器件，聚合物的 电致发光器件成为了继无机、有机小分子之后的一个新的研究
有机/聚合物半导 体材料
有机/聚合物太阳能电池的 能量转换效率已接近8%
有机/聚合 物半导体材 料
优点： 制备工艺简单（湿法加工）、生产成 本低、可大面积成膜、柔性（与柔性衬底很好 结合）、质量轻 缺点：实验室条件下 获得，且电池面积小、 性能还不稳定
有机太阳能电池中（右图）当入射光子被有 机光活性层吸收后，生成了束缚的电子-空 穴对（激子）。激子在一定长度范围内扩散 （5-10nm），当它们遇到具有一定势差的 界面时，(有机半导体材料与金属的界面，
低（<10-4）
双层异质结器件结构 C.W.Tang 酞靑铜（CuPc）作为给体材料，苝亚胺（PV）作为受体 材料，首次报道了D/A两组分的双层异质结结构的有机太阳能电池， 实现了激子在给体和受体材料的界面处有效的分离，能量转换效
率达到1%
存在问题：但在有机/聚合物材料中，激子的扩散长度一般为5nm-40nm，
相分离尺度很小，低于混合膜的厚度，观察不到明显的相分离。混合膜的相分离
程度随着烷基侧链长度的增加而增强。粗糙的P3DDT:PCBM混合膜中形成的连 续的PCBM颗粒有助于电子的传输，器件的填充因子较高.
外在因素
溶剂的选择
2001年Shaheen 等研究发现利用对PCBM 具有更好溶解性的氯苯代替甲苯来 制备MDMO-PPV:PCBM体异质结太阳能电池，活性层的相分离尺度由原来 的几百纳米降低到数十纳米，器件的能量转换效率也由0.9%提高到2.5%.