organic sollar cell and OLED

有机太阳能电池：最清洁和最广泛的可再生能源有机太阳能电池的优势：1、柔性（flexible）有机太阳能电池的优势：2、易加工（easilyprocessable）Spin-coatingSelf-assemblingScreenprintingDoctorbladingInkjetprinting限制有机太阳能电池实用化的瓶颈1、效率低：η5%（实验室）无机太阳能电池:η=24.7%（实验室）η15%（商品）所用材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅和砷化镓等2、稳定性差：易受光、热、氧气和水汽的损害制备有机太阳能电池的半导体材料ssssss1、有机p型材料（给体，D）：有低的电离势和高的HOMO能级，易失去电子形成空穴并传输空穴OR1R2OR2OOR1n低聚噻吩或聚噻吩聚对苯撑乙烯基撑（PPV）MNNNNNNNNM酞菁卟啉并五苯2、有机n型材料（受体，A）：有高的电子亲合势和低的LUMO能级，易得到电子并传输电子NNROOROO苝酰亚胺3、C60、碳纳米管、TiO2、CdS和CdSe纳米晶等无机n型材料有机太阳能电池实用化的类型和工作原理1、肖特基势垒（Schottkybarrier）型2、给体－受体（D-A，p-n结）型典型的双层异质结（Heterojunction）型有机太阳能电池的结构示意图制约有机太阳能电池光电能量转换效率提高的主要原因1、有机材料的吸收光谱比较窄，对长波部分吸收较弱。这是因为有序度不高的有机材料的禁带宽度要高于无机晶体材料，只有能量大于或者等于禁带宽的光子才能被材料所吸收，而那些能量低于有机材料禁带宽的占太阳光很大一部分的光子（即长波部分光子）就不能被吸收Eg=hc/λ1eV≈1240nm太阳光的谱线分布2、有机材料在受到光激发后，并不象无机材料一样直接分离成自由的电子和空穴，而是形成电子-空穴对（激子），激子只有扩散到有机材料与电极组成的肖特基势垒或由p型材料和n型材料组成的p-n结处才能解离成自由的载流子，因而分离的几率很小，激子在未能分离之前容易发生退激，以其他形式转化能量3、有机材料的载流子的迁移率很低，一般在10-8cm-2/(v·s)～10-2cm-2/(v·s)之间，载流子在输运过程中易被杂质或者缺陷所捕获，无法被电池的正负极收集，成为无效载流子有机太阳能电池的研究进展Kodak公司的C.W.Tang（邓青云）首次制备了给体－受体型的双层结构有机太阳能电池，从而把有机太阳能电池的效率提高到～1％C.W.Tang,Appl.Phys.Lett.1986,48,183.酞菁和苝酰亚胺的吸收光谱是互补的，以便使双层膜对太阳光有较好的吸收俞钢等人将聚合物p型材料MEH-PPV和无机n型材料C60的衍生物进行复合，制成具有微相分离的连续互穿网络结构，使有机太阳能电池的效率η=2.9%G.Yu,etal.,Science,1995,270,1789.Friend等人：互穿网络结构的聚合物单层的有机光电池单色光的量子效率为6%POPT和MEH-CN-PPV层状复合的双层结构的聚合物光电池，量子效率为29%，=1.9%OOn1、NCCNnOOOOSn2、1.R.H.Friend,etal.,Nature,1995,376,498.2.R.H.Friend,etal.,Nature,1998,395,257.Forrest等人报道了一种由CuPc、C60和激子阻滞层组成的三层结构有机光电池，EBL可以有效防止激子在分离成自由的电子和空穴之前发生退激，从而大大提高了电池的光电转化效率，加上C60的激子扩散自由程很长，电子迁移率高，电池的光电转化效率高达3.6%[1]；最近的报道：=4.2%[2]1.S.R.Forrest,etal.,Appl.Phys.Lett.,2001,79,126.2.S.R.Forrest,etal.,Appl.Phys.Lett.,2004,84,3013.Schön等人：基于溴、碘掺杂的并五苯单晶的有机太阳能电池，=2.4%溴、碘充当电子受体，提高激子分离效率，并有效降低电池内阻；并五苯单晶提供高的载流子迁移率J.H.Shön,etal.,Nature,2000,403,408.他们进一步将掺杂的并五苯单晶沉积在ZnO晶体（无机n型材料）上，=4.5%目前为止干法有机太阳能电池的最高值J.H.Shön,etal.,Synth.Met.,2001,124,95.Huynh等人：聚（3-己基噻吩）与CdSe纳米棒共混，CdSe在共混体系中充当电子受体，而聚噻吩为电子给体。两者形成微型的p-n结，有助于光生激子的分离。同时，CdSe纳米棒在体系中提供传输电子的连续通道，使得电子迁移率大大提高，纳米棒半径的改变还会改变电池的吸收光谱，从而优化太阳光吸收效率。这种太阳能电池在单色光（515nm）条件下，光电转化效率可达6.9%；在AM1.5光照条件下，=1.7%W.U.Huynh,etal.,Science,2002,295,2425.Schmidt-Mende等人将可溶性有机液晶p型材料蔻衍生物和n型材料苝酰亚胺，溶液加工制成复合膜，在膜中两种材料自组装成垂直于膜表面的相分离结构，由此同时得到了大的异质结接触面积，以及良好的空穴和电子通道，得到的光电池的单色光量子效率大于34%，2%L.Schmidt-Mende,etal,Science,2001,293,1119.有机发光二极管（Organiclight-emittingdiodes,OLED）和聚合物发光二极管（Polymerlight-emittingdiodes,PLED）1999年，Pioneer公司车载影碟机和仪表盘，4”2000年，SeikoEpson公司手机，2.5”2001年，Sony公司显示器，13”OLED和PLED：新一代的主流平面显示技术；具有成为下一代照明光源的潜力优点：1、高亮度，视角广，响应时间快（主动发光）2、质轻，薄，柔性，易加工，大面积，成本低3、发光颜色和器件效率可通过分子剪裁来调控和改善Mg-AgAlq3HTLITOglassElectroluminescenceinOrganicMaterials1960-Anthracenesinglecrystal~100V1987-Bilayerdevicebasedontris(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3)*Multi-layerOLEDdevice*C.W.TangandS.A.VanSlyke,Appl.Phys.Lett.51,913(1987)OLED的发展OLED的工作原理AlITOHOMOLUMO电子和空穴分别从阴极和阳极注入到载流子注入层，在载流子传输层传输，然后电子和空穴在发光层中相遇复合，形成电子-空穴对（激子），单重态激子发生辐射衰减，跃迁回基态，产生电致荧光。CathodeElectroninjectionlayerETLEmissionlayerHTLHoleinjectionlayerAnode----ITOglasssubstrateOLED的效率取决于：1、电子与空穴的平衡注入2、电子与空穴的平衡传输3、电子与空穴的有效复合解决途径：1、在金属阴极和发光层之间引入电子亲合能较大的电子注入和传输层，或在ITO与发光层之间引入电离势较低和迁移率高的空穴注入和传输层2、改变电极（Ca、LiF和PEDOT以及等离子体处理等）3、通过分子设计，在有机分子上引入不同的取代基，来改变能级结构和提高迁移率SOOnPEDOT制备OLED的有机半导体材料：1、空穴传输（或注入）材料NNCH3H3CNNTPDa-NPDNNNNm-MTDATACuNNNNCuPc2、电子传输材料NONONOAlONNt-BuNNNt-BuOxadiazoleTriazole3、发光材料ZnNONONONOBeAlq3Znq2Beq2NOH3CNCCNCH3CH3NOH3CNCCN掺杂发光染料DCM1DCM26-phenylRubreneSpiro-8-phenylNIr3PtNNNN磷光发光材料Ir(ppy)3PTOEP为什么要采用掺杂染料和磷光材料？ext=aint=arstqext：外量子效率int：内量子效率：器件内产生激子数与注入电子数的比值rst：激子中单重态的比率（25％）q：单重态激子辐射衰减的几率（固态荧光效率，应避免浓度猝灭）a：透射出器件的光子数占器件内产生光子数的比率OLED的效率评价：LEDbymonomer:fabricatedbyvacuumsublimationgoodefficienciesandcolorselectionofemission…but,recrystallizationandotherstructuralchangessolution:movefrommoleculartomacromolecularConjugatepolymer:canbefabricatedbyspin-caoting,etal.providebothgoodcharetransportandquantumefficiencyhavelargersemiconductorgapcanshowhighquantumyieldsforPLex)PPV~convenientlymadeintohigh-qualityfilmsshowsstrongPLat2.2eV(黄绿光）FromOLEDtoPLED∴)(Ⅱ)(Ⅰ)PPVafterthermalconversion:homogeneous,dense,uniform,intractable…PPV的合成路线：电子和空穴的注入与传输无法平衡，η=0.05%基于PPV的单层PLED：R.H.Friend,etal.,Nature,1990,347,539.基于PPV的双层PLED：引入具有低LUMO能级的电子传输材料，如CN-PPV，OXD等，提高电子注入和传输能力MEH-PPV和CN-PPV双层膜组成的PLEDη=4%其他的PLED材料：具有良好的电子传输能力，发蓝光p型材料，发蓝光p型材料，发红橙光R1R2n][snRNCHCH2nOLED和PLED的主要问题：效率寿命思考题：1.简述有机半导体材料的特点2.说明复印机工作原理3.什么是PIDC？如何评价有机光导体的性能？4.分析有机太阳能电池光电能量转换效率低的原因5.针对有机太阳能电池效率低下的现状，试设计（1）一种分子结构；（2）一种材料的凝聚态结构；（3）一种器件结构（三者选一）来改进性能，并说明理由（要考虑合成和制备的可行性，最好给出合成路线或制备工艺）。6.OLED的工作原理，并指出提高OLED效率的途径7.举出三种聚合物电致发光材料，并画出它们的分子结构式8.论述有机半导体分子结构和材料结构的区别谢谢！Theend