水/醇溶聚合物界面材料在聚合物光电器件中的应用及性能研究

系统研究了系列不同共轭与非共轭水/醇溶聚合物作为界面修饰材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的应用及结构性能关系. 研究了界面层厚度, 器件金属电极功函对材料界面修饰性能的影响. 在此基础上, 系统对比研究了共轭与非共轭水/醇溶聚合物界面材料在不同聚合物光电器件中界面修饰性能的差别. 内建电势测试与器件研究结果表明, 在聚合物发光二极管中, 共轭材料表现出明显优于非共轭材料的性能, 特别是在超高功函数的金属金电极器件中, 共轭的水/醇溶聚合物材料依然表现出很好的电子注入/传输性能; 在聚合物太阳电池中, 共轭材料的界面修饰性能也优于非共轭类界面修饰材料.     

胺基功能化咔唑共轭聚合物的合成及其光电性能研究

发展了新型含有胺基的支化烷基修饰的咔唑单元,并且与芴、咔唑、苯等单元通过Suzuki偶联反应共聚得到不同主链结构的水/醇溶共轭聚合物界面修饰材料,研究了主链结构的变化对材料光物理、电化学性能的影响.所有聚合物均被用作阴极界面材料应用于器件结构为ITO/PEDOT：PSS/P-PPV/界面层/Al的聚合物发光二极管中.在相同器件制备条件下,系统比较了不同主链结构的界面修饰材料在器件中的性能,并研究了性能差异的原因.器件研究结果表明,在高功函数金属Al阴极的聚合物发光二极管中,含胺基功能化咔唑单元的水/醇溶共轭聚合物材料由于界面偶极的形成,均表现出很好的电子注入/传输性能,与之对应的器件性能得到大幅提升.     

聚合物光伏材料与器件研究进展

高效率的聚合物太阳电池依赖于光吸收活性层材料对太阳光能量的充分利用．电极界面材料将光吸收活性层产生的空穴和电子分别快速高效地抽取到阳极和阴极,并通过进一步改进光伏器件的结构提升能量转换效率和稳定性．本课题组在光吸收活性层中新型聚合物给体材料、新型电极界面材料、利用水／醇性电极界面材料制作新型倒装器件结构的太阳电池方面取得重要进展,推动了太阳电池在能量转换效率和稳定性方面的突破．     

以膦酸酯聚芴作为阴极界面修饰层的高效聚合物红光电致发光器件

以膦酸酯聚芴为阴极界面修饰层, 高功函金属铝为阴极, 制备了一种高效聚合物红光电致发光器件. 通过X射线光电子能谱(XPS)的表征, 分析了经真空蒸镀沉积在膦酸酯聚芴表面的Al原子与下层的膦酸酯聚芴在有机物-金属界面处的作用情况, 结果表明, 在真空蒸镀金属Al的过程中, 在有机物-金属界面处形成了一种氧/铝复合物. 研究了这种氧/铝复合物对器件光电性能的影响, 结果表明, 氧/铝复合物的产生提高了阴极电子的注入, 使器件效率得到了很大提高. 与以Ca/Al为阴极的传统器件相比, 以膦酸酯聚芴/Al为阴极的聚合物电致发光器件的效率提高了75%, 达到7.0 cd/A.     

侧链调控在有机光电高分子材料中的应用研究进展

有机光电聚合物材料是由共轭主链与柔性侧链组成,具有制备简单、成本低廉、重量轻及可制成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究的前沿和热点.目前对聚合物材料主链结构的优化研究较多,基于侧链调控的报道则相对较少.对主链共轭高分子光电材料侧链调控的目的主要是改善材料的溶解性能,然而,侧链修饰的影响远非如此.研究发现,侧链修饰后聚合物材料的吸收光谱、能级分布、载流子迁移率、器件共混膜形貌以及界面形态等光电性能方面可发生不同程度的变化.此类研究成果无疑将对设计与优化有机聚合物材料分子结构、活性层形貌与界面形态以及器件制备方法和加工工艺具有指导意义.同时,随着器件制备方法的不断改进以及加工工艺的不断发展,为进一步改善器件效率,提高纳米活性材料的形貌调控与界面形态优化能力,基于有机光电高分子材料侧链调控的研究价值日益突显.因此,结合高分子光电材料应用领域的研究现状,以聚合物分子侧链结构优化设计为出发点,基于侧链调控为主题,以不同的修饰侧链为研究对象,对光电高分子材料侧链调控中拟解决的问题及本实验室的相关工作做主要综述.     

水醇溶性小分子卟啉衍生物的合成及其在聚合物太阳电池中的应用

设计合成了Por-N, Por-NBr, Por-Cu-N和Por-Cu-NBr四种水醇溶性小分子卟啉衍生物. 对这类卟啉小分子衍生物的紫外可见吸收光谱研究表明, 基于金属铜配位的卟啉小分子衍生物较未配位化合物有微弱的蓝移. 循环伏安法对这类小分子卟啉衍生物的研究表明, 基于金属铜配合物的卟啉衍生物的最高占有分子轨道能级均没有明显变化. 采用空间电荷限制电流方法对小分子卟啉衍生物的研究表明, 基于金属铜配位的卟啉小分子衍生物的电子迁移率得到明显提高. 以聚合物PCE10为给体材料, 富勒烯衍生物PC₇₁BM为受体材料, 以及合成的小分子卟啉衍生物为阴极界面层制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/PCE10:PC₇₁BM/卟啉小分子衍生物/Al的聚合物太阳电池器件. 器件研究结果表明, 化合物Por-NBr, Por-Cu-N与Por-Cu-NBr作为电子传输层的器件的光电转换效率达到9%以上, 其中以Por-Cu-N作为阴极界面层的器件达到的最高效率为9.12%, 相应器件的短路电流密度, 开路电压以及填充因子分别为16.91 mA· cm^-2, 0.79 V和68.1%. 表明这类水醇溶性小分子卟啉衍生物作为聚合物太阳电池的阴极界面层有着广阔的应用前景.     

电极界面缓冲层对P3HT:PC61BM太阳能电池热稳定性的影响

基于溶液法加工制备的聚合物太阳能电池的高温热稳定性是决定器件能否兼容后续高温热封装工艺, 如热压封装、高温原子层沉积(ALD)等的一个关键. 本文分别利用聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和MoO₃作为阳极缓冲层, 以及ZnO和LiF 作为阴极缓冲层, 制备了结构为氧化铟锡(ITO)/阳极缓冲层/3-己基取代聚噻吩:(6, 6)-苯基C₆₁-丁酸甲酯(P3HT:PC₆₁BM)/阴极缓冲层/Al 的太阳能电池, 系统地比较研究了不同界面缓冲材料对器件光电转换性能及稳定性的影响, 特别是在高温煺火条件下器件的性能稳定性差异. 结果表明, 聚合物太阳能电池的热稳定性同器件的结构以及所用的缓冲层材料有密切的相关性. 其中, 利用MoO₃及ZnO分别作为阳极与阴极界面修饰层的P3HT:PC₆₁BM器件在120-150 ℃的温度范围内能够较好地保持器件的光电转换性能. 这一结果为后续需要高温封装工艺的器件提供了有意义的结构优化指导. 此外, 研究结果还表明利用ZnO作为阴极缓冲层能够改善器件的长时间稳定性.     

基于萘并二酰亚胺的胺基功能化聚合物的三组分一锅法合成及其在聚合物太阳电池中的应用

通过微波辅助炔、醛、胺三组分一锅法聚合反应合成了一系列基于萘并二酰亚胺的聚合物P1~P4,并通过核磁表征确认其结构.目标聚合物的光物理与电化学性能研究表明,由于聚合物主链共轭被打断,聚合物的吸收和能级主要由其重复单元决定.通过开尔文探针与电子顺磁共振谱研究了聚合物侧链与主链胺基不同的化学环境对其电极功函调节以及自掺杂行为的影响.发现由于主链胺基与苄基、炔丙基相连,胺基氮的电子云密度显著降低,导致聚合物形成界面偶极能力减弱,从而使其电极功函调节能力与自掺杂强度都大大降低.所有聚合物中P1具有良好的醇溶性,可被用于聚合物太阳电池的阴极界面层.以PTB7-Th：PC₇₁BM为活性层,P1为阴极界面层的聚合物太阳电池器件的光电转换效率达到9.34%.     

全印刷工艺制备聚合物OLED显示屏

详细探讨采用全印刷工艺,制备聚合物OLED显示屏的工艺流程和技术难点的克服。通过喷墨打印纳米银电子墨水制备金属阴极,完全避免了高温及真空工艺的使用。在显示屏制备过程中,我们成功研发由水/醇溶性共轭聚合物聚[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴],与一种可固化的环氧树脂粘合剂共混形成的多功能缓冲层。此多功能缓冲层,一方面保护有机功能层,避免纳米阴电子墨水的侵蚀,另一方面提供必需的电子注入功能,使高功函银阴极可以有效地注入电子。通过研究表面能优化打印阴极的成型形貌,并克服工艺难点,所制得的96×3×64分辨率的单色和全彩色聚合物OLED显示屏无坏点/坏线,红、绿、蓝电流效率分别为0.62、4.38、0.93cd/A,色坐标分别为(0.63,0.37)、(0.39,0.57)、(0.18,0.16)。     

高效率有机太阳能电池的界面工程研究

有机太阳能电池(OSC)为典型的三明治结构,是以共轭类有机化合物为活性层材料将太阳光转换为电能,通过两个电极输出电流。这些有机物具有来源广、质量轻和可再生等优点,使得有机太阳能电池在清洁新能源领域备受关注。当前研究的焦点仍然是提高电池的光电转换效率,主要通过改善活性层材料、优化器件结构和界面修饰等途径。本文重点介绍了作者课题组在界面工程方面所做的代表性工作,通过引入含磺酸基团或羧酸基团的超支化结构的聚合物阴极修饰层材料,获得了高效的OSCs;合成了新颖的非共轭有机小分子电解质修饰层,制备了高达10.02%效率的单结正型OSCs。此外,还研究了简单的极性溶剂处理,如甲醇能够优化活性层形貌,提高电池器件的性能。     

水溶性共轭聚电解质

水溶性共轭聚电解质主要是指含离子型官能团侧链的共轭聚合物,可在水或其它极性有机溶剂中能够溶解。这类化合物把传统共轭聚合物的光电性质和聚电解质的水溶性特点结合在一起,显示出的一些独特性质,可在新一代光电器件制作和化学生物荧光传感器中获得多样的应用。本文总结了近10年来报道的水溶性共轭聚电解质的结构特点和合成方法,以及对不同化学或物理条件下光物理性质的研究,归纳了它们在新一代光电器件制作和荧光传感中的应用,并在此基础上提出了水溶性共轭聚电解质研究中尚待解决的问题,并展望了水溶性共轭聚电解质的应用前景。     

共轭聚合物发光和光伏材料研究进展

聚合物光电功能材料与器件因其广阔的应用前景,1990年以年来吸引了世界各国学术界的广泛关注和兴趣.聚合物光电子器件主要包括聚合物电致发光二极管、聚合物场效应晶体管和聚合物太阳能电池等,其使用的关键材料是共轭聚合物光电子材料,包括共轭聚合物发光材料、场效应晶体管材料和光伏材料等.本文主要对共轭聚合物电致发光材料和光伏材料的研究进展进行综述,介绍了这些聚合物材料的种类、结构和性质以及在聚合物电致发光器件和聚合物太阳能电池中的应用.并讨论了当前共轭聚合物光电子材料中的关键科学问题和今后的发展方向.     

Temperature Induced Aggregation of Organic Semiconductors

One important feature of organic semiconductors is their solution processability, which allows researchers to tune their aggregation states in solution and solid states and to control the processing conditions to reach desirable electronic and optoelectronic properties. Temperature is one of the most important processing parameters of organic semiconductors and has been studied extensively particularly for those conjugated small- and macro- molecules with strong temperature-dependent aggregation properties. This minireview summarizes the temperature-induced aggregation behaviors of organic semiconductors in solution, during solution casting and upon thermal annealing post-treatment of solid-state thin films. The influences of different aggregation states on the optoelectronic properties, in particular the photovoltaic properties, are discussed. The conclusions in this work will provide a rational guide to precisely control the aggregation states of organic semiconductors to fabricate high-performance optoelectronic devices.     

基于Diels-Alder反应的可交联空穴传输材料的合成及其在聚合物发光二极管中的应用

设计合成了一种侧链含呋喃的可交联共轭聚合物空穴传输材料聚{2,7-[9,9-二(6-(2-呋喃甲氧基)己基)芴]-共-4,4′-(4″-丁基)三苯胺}(P1)和侧链含马来酰亚胺的共轭小分子交联剂N,N′-二[4-(6-马来酰亚氨基己基)苯基]-N,N′-二苯基联苯二胺(M1).基于呋喃和马来酰亚胺间Diels-Alder反应,P1和M1共混膜可在150°C下热处理快速交联形成具有优异抗溶剂性的薄膜,同时薄膜的光电性能可以通过控制P1和M1的共混比例进行有效调节.器件研究结果表明,基于P1+M1交联的薄膜表现出了优异的空穴传输、电子阻挡性质,应用于聚合物发光二极管时可有效避免由传统空穴传输材料聚3,4-亚乙二氧基噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为单一界面层引起的发光淬灭现象,使相应器件性能得到大幅提升.当M1添加量为10%时,相关器件表现出了最佳的器件性能,器件的最大电流效率为9.0 cd A~(-1),最大亮度为35681 cd m~(-2),启亮电压为3.2 V.     

Exfoliating and Dispersing Few‐Layered Graphene in Low‐Boiling‐Point Organic Solvents towards Solution‐Processed Optoelectronic Device Applications

With normal organic surfactants, graphene can only be dispersed in water and cannot be dispersed in low‐boiling‐point organic solvents, which hampers its application in solution‐processed organic optoelectronic devices. Herein, we report the exfoliation of graphite into graphene in low‐boiling‐point organic solvents, for example, methanol and acetone, by using edge‐carboxylated graphene quantum dots (ECGQD) as the surfactant. The great capability of ECGQD for graphene dispersion is due to its ultralarge π‐conjugated unit that allows tight adhesion on the graphene surface through strong π–π interactions, its edge‐carboxylated structure that diminishes the steric effects of the oxygen‐containing functional groups on the basal plane of ECGQD, and its abundance of carboxylic acid groups for solubility. The graphene dispersion in methanol enables the application of graphene:ECGQD as a cathode interlayer in polymer solar cells (PSCs). Moreover, the PSC device performance of graphene:ECGQD is better than that of Ca, the state‐of‐the‐art cathode interlayer material.     

High-performance air-stable organic field-effect transistors: isoindigo-based conjugated polymers

Two conjugated polymers, IIDDT and IIDT, based on an isoindigo core were developed for organic field-effect transisitors. Investigation of their field-effect performance indicated that IIDDT exhibited air-stable mobility up to 0.79 cm(2) V(-1) s(-1), which is quite high among polymer FET materials. The facile preparation and high mobility of such polymers make isoindigo-based polymers very promising for application as solution-processable organic semiconductors for optoelectronic devices.     

共轭聚合物光电探测器研究进展

相较于传统无机半导体材料,有机共轭聚合物半导体具有响应光谱高度可调、质量轻、可大面积制备、与柔性基板兼容等优点,其作为光活性层在下一代可穿戴光电探测器的应用中显示出巨大的应用潜力.共轭聚合物具有多样化的结构设计,不同的分子结构对其光物理化学性能可进行灵活调控,进而展现出各具特色的光电特性.同时,通过结构优化亦可赋予共轭...     

Incorporation of 2,6‐Connected Azulene Units into the Backbone of Conjugated Polymers: Towards High‐Performance Organic Optoelectronic Materials

Azulene is a promising candidate for constructing optoelectronic materials. An effective strategy is presented to obtain high‐performance conjugated polymers by incorporating 2,6‐connected azulene units into the polymeric backbone, and two conjugated copolymers P(TBAzDI‐TPD) and P(TBAzDI‐TFB) were designed and synthesized based on this strategy. They are the first two examples for 2,6‐connected azulene‐based conjugated polymers and exhibit unipolar n‐type transistor performance with an electron mobility of up to 0.42 cm² V^?1 s^?1, which is among the highest values for n‐type polymeric semiconductors in bottom‐gate top‐contact organic field‐effect transistors. Preliminary all‐polymer solar cell devices with P(TBAzDI‐TPD) as the electron acceptor and PTB7‐Th as the electron donor display a power conversion efficiency of 1.82 %.     

高性能双极性聚合物半导体材料与晶体管器件

有机聚合物半导体材料与晶体管器件是融合了化学、材料、半导体以及微电子等学科的前沿交叉研究方向.聚合物半导体材料分子是该领域研究的重要内容,其中双极性聚合物分子半导体材料,兼具了电子和空穴的双重载流子输运能力而受到学术界的广泛关注.本文总结了双极性聚合物半导体材料与器件的研究进展,重点介绍了我们在D-A型双极性聚合物分子半导体材料设计、加工技术与器件制备以及功能应用方面的研究工作,并论述了双极性聚合物分子半导体材料与器件研究过程中存在的科学问题及发展方向.     

聚合物在纳米半导体材料中的应用

半导体纳米材料在光、电、磁、催化等方面具有不同于本体的一系列特性。在纳米材料及其器件制备中，聚合物有着重要的应用。它不仅可以有效地稳定纳米晶粒尺寸，而且可以钝化表面，增强纳米微粒的发生效果。而纳米半导体对光导聚合物的光电行性也有增强作用。将电致发光聚合物与纳米半导体微粒组合而成双层异质结FL器件，可提高器件效率和寿命，甚至可以构成光导与电致发光双功能器件。