高效超低压起亮有机发光二极管研究

In our previous research works, we observed the sub bandgap turn-on phenomena when the inorganic semiconductor nanoparticles were applied to the light emitting diodes (LEDs) as the electron transporting layer. The luminance turn-on voltage can break through the theoretical limit which is determined by the relationship Vturm-on=Ephoton/q. The current proposal aimed to investigate the physical mechanisms of the sub bandgap turn-on phenomena based on our previous research work. The theoretical model also will be established. The electrical properties of nanomaterial such as the mobility and the concentration of the free carriers will be further improved in order to the higher quantum efficiency of Auger process. The universality and stability of the sub bandgap turn-on phenomena will also be explored. The current research proposal will be carried out along with the work of optimizing the energy band structures, particle size, and electrical properties of nanomaterials and the effort of improving the power efficiency of LEDs. The key technological approaches and the theoretical basis will be established for the new type sub bandgap turn-on LEDs.

在前期工作中，我们发现利用无机半导体纳米材料作为发光二极管中的电子传输层，器件的起亮电压可突破理论极限，低于所发射光子的能量，即超低压起亮现象。本项目基于前期工作基础，深入研究这种超低压起亮现象的内部物理机制，建立这种超低压起亮的理论模型，并且通过改善纳米材料的导电性能比如载流子迁移率、自由载流子浓度等，进一步提高俄歇过程的量子效率；探索这类超低电压起亮现象在不同有机二极管体系普适性；深入研究超低压起亮工作的稳定性。通过不同尺寸、不同导电性能纳米材料的选择和器件能带结构的优化，进一步提高发光二极管的功率效率。为发展一类全新的高效超低压起亮发光二极管建立理论依据，探索实现的关键技术途径。

利用纳米材料可以放大俄歇能量倍增效应，并通过光电器件中界面能级势垒的构建来得到低于发射光子能量的启亮电压。降低启亮电压对于量子点发光二极管性能的改善来说非常重要，一是可以得到更高功率效率的发光器件，降低器件的能耗；二是更为重要的，可以显著提高器件的寿命。量子点发光二极管技术近几年发展非常迅速，红绿蓝三基色的器件效率都在逐步接近有机发光二极管。但是对于该技术的产业化来说，目前最大的技术难题是如何解决器件的寿命。而量子点发光二极管中的发光材料是量子点，水氧及热稳定性都很好，但是在高场下的量子斯塔克效应明显，因此其衰减与器件中的驱动电压呈正相关。正是基于此，如何能进一步通过优化纳米材料的尺寸，能级和导电特性等，以及更好的设计器件能级结构，来进一步放大俄歇能量倍增效应从而降低器件的驱动电压是解决量子点发光二极管寿命问题的一个重要途径。. 在本项目中，我们的研究内容有两个方面，一个是合成和制备了不同的纳米金属氧化物，包括氧化锌，氧化铜，氧化镍，氧化钼等，通过控制其尺寸，调节掺杂等方法来优化材料的能级位置，导电特性等，另一个是设计和优化光电器件中的电子/空穴功能层结构，从而达到改善器件性能的目的。. 通过材料合成和功能层结构的优化，我们一方面首次在全世界得到了红绿蓝三基色都超过10%的量子点发光二极管，并且通过降低其驱动电压，在100尼特亮度下得到了红色半衰寿命30万小时，绿色半衰寿命9万小时；另一方面在光伏器件方面，我们分别把纳米材料引入铜铟镓硒，钙钛矿和有机光伏器件中，都分别改善了其转换效率，其中溶液法制备的铜铟镓硒薄膜光电池的第三方认证效率为17.3%，是全世界同类技术中的最高值。