基于柔性塑料基底OLED阵列化技术及有机光伏器件研究

【摘要】：在现今的平板显示器和新能源领域,柔性光电子器件以其显著的特点得到众多公司、科研院所和高校的广泛重视和深入研究,作为光电转换互逆的两个过程的器件,主要以柔性有机电致发光器件(flexible organic light-emitting devices, FOLED)和柔性有机薄膜光伏器件(organic thin-film photovoltaic devices, FOPVD)为代表。柔性OLED,在信息显示技术领域上属于新崛起的器件种类,被誉为“梦幻显示器”、“第三代显示技术”,而FOPVD作为新能源器件的一种,因其制备技术先进、性能优越、成本低廉、用途广泛而备受关注。 但是,有待提高的器件效率、稳定性的不足、阵列化制备工艺的复杂性、原材料缺乏及产业链的不够完善,大大影响了柔性有机光电器件的研发进程。针对上述问题,本论文在柔性OLED的光电性能改善、阵列化技术、制备工艺和FOPVD效率等方面进行了一系列的探索性和创新性的研究工作,具体包括: 1.采用在柔性PEN塑料基底和ITO导电薄膜之间引入致密缓冲层的方法,改善基底的致密性和平整性,进而提高基底与导电薄膜间的贴附性。采用低温直流磁控溅射技术,在制备有缓冲层的PEN塑料基底上溅射透明导电ITO薄膜,完成FOLED的阳极工艺制备。在基底温度为70℃、溅射功率为200 W、靶基距离为40 cm、溅射气压为1 mTorr、水分压为2×10~(-5) Torr条件下,得到透明ITO导电薄膜的方块电阻为29.2Ω/sq,透过率为85.1 %。 2.研究了基于单色FOLED原理性器件的结构、功能层、激子发光、客体掺杂机理和光电性能。分别制备了R、G、B单色FOLED器件样品,其中绿色FOLED器件,最高亮度为16900 cd/m~2,在工作电压3.3 V时,最大功率效率为7.59 lm/W,从无磷光材料掺杂到掺杂浓度为4 %时,亮度增加了45.7 %,发光效率提高了50.2 %,功率效率提高了109.6 %;红色FOLED在测试时,最高亮度为8400 cd/m~2,在工作电压3.9 V时,最大功率效率为3.02 lm/W,发光效率最大值为3.75 cd/A。器件发光的色坐标由橙红色向红色漂移,当掺杂浓度为10%时,器件的CIE为x=0.66,y=0.33,发光区域处于纯正红光区;蓝色FOLED在测试时,最高亮度为7500 cd/m~2,在工作电压3.5 V时,最大功率效率为:1.87 lm/W,发光效率最大值为:2.09 cd/A,器件从零掺杂到掺杂浓度为6 %时,亮度增加的了23.2 %,发光效率提高了60.7 %,功率效率提高了70.1 %。 3.研究了4英寸三基色FOLED阵列化的相关技术,讨论了FOLED显示屏的彩色化方案、详细论述了显示屏的阵列化设计方案与制备工艺、器件的结构设计与制备工艺、评价参数与测试等。论文阐述了柔性基底的清洗工艺、预处理技术、器件光掩膜的设计、机械掩膜设计、NiCr层图案设计、ITO层图案设计、绝缘层图案设计、阴极隔离柱设计与制备、有机材料功能层真空热蒸镀技术、金属阴极的蒸镀技术、薄膜封装技术等相关工艺,完成了4英寸三基色FOLED显示屏整体设计、工艺方案和样品制备,提出了柔性显示屏的技术参数评价体系并进行相关参数的测试。 4.基于聚合物材料P3HT研究FOPVD的光电性能,一方面将金属氧化物MoO3应用到双异质结FOPVD器件中,另一方面在体异质结器件引入缓冲层,结构为:ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Bphen/Ag的体异质结器件,转换效率达到3.30 %,比没有缓冲层结构的器件提高了两个数量级;针对单异质结柔性有机薄膜光伏器件开路电压较低的问题,其一是设计具有中间层的中间异质结器件,其二是使用高开路电压材料SubPc为供电子体,以提高柔性光伏器件的开路电压,结构为ITO/SubPc (20 nm)/C60 (40 nm)/BPhen (10 nm)/Ag (130 nm)的器件的开路电压达到0.87 V,在制备的一系列器件中为最佳。 5.利用混合薄膜叠层方法对柔性器件进行薄膜封装,在初始亮度为10000 cd/m~2的,电压9 V时,完成器件加速寿命测试,经测试五种薄膜封装结构的数值分别为:897小时、1495小时、2093小时、2830小时和2890小时。单层的有机薄膜(单体)1与单层的无机薄膜(Al_2O_3)_1的封装效果比较,柔性器件的半衰寿命提高了66.7 %;与(单体+Al_2O_3)_1与(单体)1的封装效果比较,寿命提高了39.8 %; (单体+Al_2O_3)_2与(单体+Al_2O_3)_1的封装效果比较,寿命进一步提高,改善了35.1 %; (单体+Al_2O_3)_3与(单体+Al_2O_3)_2的封装效果比较,寿命基本一致,仅提高了2.1 %。 综上所述,本论文的工作将主要集中在柔性基底的选取与缓冲层引入的影响、基于柔性塑料基底的R、G、B三基色OLED原理性器件的光电性能参数优化、柔性4英寸OLED器件的阵列化技术研究、样品的制备;同时,对FOPVD光电性能研究及薄膜封装技术也进行了有益的探索,为高性能柔性光电器件的研制和应用打下了基础。 【关键词】：柔性塑料基底 有机电致发光器件 阵列化技术 有机光伏器件 薄膜封装技术
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 引言15-20
• 1.1.1 柔性有机电致发光器件16-18
• 1.1.2 柔性有机薄膜光伏器件18-20
• 1.2 柔性有机发光器件的国内外研究状况与进展20-24
• 1.3 柔性有机薄膜光伏器件的国内研究状况与进展24-28
• 1.4 柔性有机光电子器件存在的问题和发展方向28-29
• 1.5 本论文的主要工作29-31
• 第二章 柔性塑料基底引入缓冲层研究31-46
• 2.1 引言31
• 2.2 柔性OLED 器件基底材料的选择31-34
• 2.3 柔性塑料基底引入致密缓冲层研究34-39
• 2.3.1 磁控溅射技术34
• 2.3.2 溅射实验系统34-35
• 2.3.3 工艺制备实验35-37
• 2.3.4 工艺参数表征37-39
• 2.4 柔性塑料基底透明导电ITO 薄膜制备工艺39-43
• 2.4.1 直流磁控溅射技术与系统39-40
• 2.4.2 柔性透明导电ITO薄膜直流磁控溅射实验40
• 2.4.3 柔性透明导电ITO薄膜工艺参数表征40-43
• 2.5 柔性透明导电ITO 薄膜基底清洗工艺43
• 2.6 柔性透明导电ITO 基底预处理工艺43-45
• 2.7 本章小结45-46
• 第三章 RGB 柔性OLED 单元器件及光电性能研究46-81
• 3.1 引言46
• 3.2 柔性OLED 器件的基本结构46-48
• 3.3 柔性OLED 各功能层典型材料48-53
• 3.3.1 常用柔性OLED 有机功能层材料48-50
• 3.3.2 柔性OLED 磷光材料50-52
• 3.3.3 电极材料52-53
• 3.3.3.1 柔性OLED 阳极材料52-53
• 3.3.3.2 柔性OLED 阴极材料53
• 3.4 柔性单色OLED 器件结构的设计与制备53-58
• 3.4.1 柔性单色OLED 器件结构设计54
• 3.4.2 柔性单色 OLED 器件的工艺制备54-58
• 3.4.2.1 单色柔性 OLED 原理性器件制备系统54-56
• 3.4.2.2 柔性基底的刻蚀、清洗与预处理56
• 3.4.2.3 薄膜功能层的制备56-57
• 3.4.2.4 柔性单色OLED 原理性器件性能参数及测试57-58
• 3.5 磷光材料作为掺杂剂的柔性绿色OLED 器件58-67
• 3.5.1 理论基础58-60
• 3.5.2 器件结构设计60-61
• 3.5.3 柔性绿色 OLED 器件制备与测试61-62
• 3.5.4 实验结果及分析讨论62-67
• 3.6 可调色的柔性红色 OLED 器件67-73
• 3.6.1 理论基础67-68
• 3.6.2 器件结构设计68
• 3.6.3 柔性红色OLED 器件制备与测试68-69
• 3.6.4 实验结果及分析讨论69-73
• 3.7 柔性蓝色OLED 器件的光电性能优化73-79
• 3.7.1 理论基础73-74
• 3.7.2 器件结构设计74
• 3.7.3 柔性蓝色OLED 器件制备与测试74-75
• 3.7.4 实验结果及分析讨论75-79
• 3.8 本章小结79-81
• 第四章 三基色 4 英寸柔性 OLED 阵列化技术研究81-116
• 4.1 引言81-84
• 4.2 柔性 OLED 显示屏彩色化机理84-87
• 4.2.1 三基色（R、G、B）像素发光方式84-85
• 4.2.2 三基色滤光片方式85-86
• 4.2.3 颜色转换方式86-87
• 4.3 三基色柔性4 英寸OLED 显示屏阵列化设计与制备87-110
• 4.3.1 三基色柔性4 英寸OLED 显示屏整体设计方案88
• 4.3.2 三基色柔性4 英寸OLED 显示屏阵列化的设计与制备88-97
• 4.3.2.1 掩膜及阵列化设计88-90
• 4.3.2.2 柔性基底NiCr 层图案设计90-93
• 4.3.2.3 柔性基底ITO 阳极图案设计93
• 4.3.2.4 柔性基底绝缘层图案设计93-94
• 4.3.2.5 柔性基底阴极隔离柱图案设计94-97
• 4.3.3 三基色柔性4 英寸OLED 显示屏的实验制备工艺97-110
• 4.3.3.1 有机腔体的精密掩膜对位98-99
• 4.3.3.2 柔性4 英寸三基色OLED 器件制备整体系统99-100
• 4.3.3.3 制备系统组成腔体100-101
• 4.3.3.4 三基色柔性OLED 器件有机材料蒸镀工艺101-107
• 4.3.3.5 柔性OLED 器件金属电极材料制备工艺107-110
• 4.4 三基色柔性4 英寸OLED 器件的主要性能参数与评价体系110-115
• 4.4.1 评价三基色OLED 器件光电性能的主要技术参数110-114
• 4.4.2 三基色4 英寸柔性OLED 器件的主要性能参数测试114-115
• 4.5 本章小结115-116
• 第五章 基于柔性塑料基底有机薄膜光伏器件的研究.116-153
• 5.1 引言116-118
• 5.2 半导体的基本理论118-120
• 5.2.1 半导体能带结构118
• 5.2.2 有机半导体的无序度118-119
• 5.2.3 常见有机半导体载流子传输模型119-120
• 5.3 柔性有机薄膜光伏器件120-125
• 5.3.1 柔性有机薄膜光伏器件工作原理121-122
• 5.3.2 柔性有机薄膜光伏器件的常用材料122-123
• 5.3.2.1 有机小分子材料122
• 5.3.2.2 聚合物材料122-123
• 5.3.2.3 电极材料123
• 5.3.3 柔性有机薄膜光伏器件的主要性能参数123-125
• 5.4 柔性有机薄膜光伏器件的研究125-151
• 5.4.1 工艺实验系统125
• 5.4.2 光电性能测试系统125-126
• 5.4.3 基于P3HT 的双/体异质结柔性有机薄膜光伏器件研究126-138
• 5.4.3.1 P3HT/C60 双层柔性有机薄膜光伏器件的厚度优化126-128
• 5.4.3.2 MoO_3 对柔性有机薄膜光伏器件性能的优化研究128-129
• 5.4.3.3 引入MoO_3 作为缓冲层对柔性光伏器件性能的影响129-130
• 5.4.3.4 MoO_3 缓冲层厚度对柔性光伏器件性能的影响研究130-131
• 5.4.3.5 掺杂MoO_3 对柔性有机光伏器件性能的影响131-133
• 5.4.3.6 光照强度对柔性光伏器件性能影响的研究133
• 5.4.3.7 基于P3HT 的体异质结光伏器件性能研究133-135
• 5.4.3.8 Bphen 对体异质结光伏器件性能的优化研究135-138
• 5.4.4 中间异质结型柔性有机薄膜光伏器件138-146
• 5.4.4.1 材料介绍及吸收光谱的测量138-139
• 5.4.4.2 CuPc 作中间层的柔性光伏器件设计及分析139-143
• 5.4.4.3 Rubrene 作中间层的器件设计及分析.143-146
• 5.4.5 高开路电压材料作供电子体的柔性有机薄膜光伏器件146-151
• 5.4.5.1 SubPc 材料的介绍146-147
• 5.4.5.2 光学传输矩阵理论模拟光场分布147-148
• 5.4.5.3 SubPc 做供电子体的光伏器件的制备和结果分析148-151
• 5.5 本章小结151-153
• 第六章 柔性有机光电器件薄膜封装工艺研究153-166
• 6.1 引言153-155
• 6.2 薄膜封装常用材料及方法155-157
• 6.2.1 有机薄膜封装材料155-156
• 6.2.2 无机薄膜封装材料156-157
• 6.3 薄膜封装工艺制备流程.157-160
• 6.3.1 薄膜封装材料选取158-160
• 6.3.2 对制备好的器件进行薄膜封装160
• 6.4 薄膜封装工艺对柔性OLED 器件性能影响的研究160-163
• 6.5 薄膜封装工艺在对柔性OPV 器件中的应用163-164
• 6.6 本章小结164-166
• 第七章 结论与展望166-168
• 致谢168-169
• 参考文献169-185
• 博士在学期间的研究成果185-188

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