光电高分子材料-1

高分子光电材料主要内容一，本课程的地位、作用和任务二，高分子光电材料的分类三，高分子光电材料的概况本课程的地位、作用和任务高分子光电材料是一类新型的功能高分子材料，由于兼有高分子的可加工性和柔韧性以及无机半导体或金属的导电性，因而它们在电子信息技术、通讯设备和能源等领域具有广阔的应用前景。高分子光电材料的分类传导（导电和光导）显示信息存储光电转换主要包括两大类材料电致发光：平面显示器、照明和各式灯光布置光电转换：太阳能电池(1)电致发光材料高分子电致发光的光源像纸一样，能任意弯曲。如果解决了发光效率问题，还可做普通的照明光源。在电致发光材料领域，目前已有小批量的有机/高分子显示屏用于手机、数码相机。有机/高分子显示屏被专家预测为继液晶显示之后的新一代产业化技术，是液晶显示器的更新换代产品。(2)光电转换材料目前已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制成的太阳能电池，转换效率超过20%，但其成本高，主要用于空间技术。虽然多晶硅薄片制成的太阳能电池的光电转换效率不高(约10%)，但价格低廉，故已获得大量应用。目前高分子光电材料和器件（太阳能电池）的性能也得到极大改善，在模拟太阳光下光电转换效率达5％，可望在最近几年达到实用化要求。高分子光电材料的概况固体光电子器件是利用光量子作用的一类重要器件，是通过在固体材料中的电-光或光-电效应等来实现其功能的。光电子器件材料的光转变（吸收和发光）一般包括的能量是从红外到近紫外光范围的光子，因此光电子器件材料的能带宽度一般在1.0～3.0eV之间。光电子器件通常分为三类光源（发光二极管和二极管激光器等）光探测器（光导体和光二极管等）能量转换器件（光伏电池等）高分子光电材料的研究主要包括高分子发光材料及器件高分子光电材料及器件高分子场发射阴极材料高分子光电材料的诞生1977年，白川英树、黑格尔和马克迪尔米德等人发现，聚乙炔用I2和AsF5掺杂后，电导率从10-6S/cm增加到了l0-2～l03S/cm，传统意义上的绝缘体竟然表现出了导体或半导体的性质！这对经典的材料分类和导电理论都是一个巨大的挑战，也意味着新一代的功能高分子材料—导电高分子诞生了。导电聚合物(Conductingpolymers)共轭聚合物（Conjugatedpolymers）电活性聚合物(Electroactivepolymers)合成金属(Syntheticmetals)导电聚合物的光电功能主要由其共轭结构中的电子状态决定，因此人们又把它们叫做“电子聚合物”。事实上共轭聚合物是不导电的。要使它们表现出导体或者半导体的特征，必须使它们的共轭结构产生某种缺陷，即进行某种“掺杂”。掺杂就是使共轭聚合物链上发生电荷转移或者发生氧化/还原反应。掺杂方法主要有三种电化学掺杂法化学掺杂法物理掺杂法日本筑波大学材料学院的化学教授白川英树（Hidekishirakawa）美国费城宾夕法尼亚大学的化学教授马克迪尔米德(Alan.G.MacDiarmid)加利福尼亚大学固体聚合物和有机物研究所的物理学教授黑格尔(Alan.J.Heeger)。TheNobelPrizeinChemistry2000forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymersAlanJ.HeegerAlanG.MacDiarmidHidekiShirakawa经过三十多年的努力，已经合成了许多各种类型的导电高分子，其可能的应用领域包括：发光二极管、薄膜晶体管、太阳能电池、聚合物存储器、聚合物光学开关、聚合物传感器、聚合物激光以及聚合物非线性光学材料等;由于可望制成低成本、柔性光电子器件而使其在光电信息领域的应用研究更是日新月异，由此材料科学又开辟了一个崭新的研究领域—光电高分子材料。目前国际科技界公认“有机/聚合物光电功能材料”将为新世纪信息产业的飞速发展和技术应用提供物质上的硬件基础。正如美国德克萨斯大学的教授艾伦·巴德所说，“在材料科学领域，对有机/聚合物材料电子过程的研究将建立一个由新型电子屏幕、存储器和晶体管组成的“有机电子工业”。高分子光电材料的研究现状光电导效应：是在光照的条件下材料电导率发生改变的现象，它包括以下几个物理过程：吸收光→载流子产生→载流子驰豫→载流子迁移或复合。它是光电子学中一个非常重要的性能，是光伏器件、空间光调制器、硬拷贝设备和光电子计算机的应用基础。(1)高分子电致发光材料1936年，居里夫人实验室的G.Destnau将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜，发现了有机电致发光现象。20世纪50年代人们开始了用有机材料制作电致发光器件的探索，但由于单晶成长和大面积化比较困难，且驱动电压高，因此有机电致发光材料并未真正引起人们的重视。1987年，美国柯达公司的TangCW用8－羟基喹啉铝络合物作为发光层制作出的有机电致发光器件(OLED)受到了广泛的关注，才形成了一个新的研究热点。OLED：有机电致发光器件是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。利用有机小分子为发光材料制成的显示器被称为有机发光显示器，也叫OLED显示器。OLED的特点OLED为自发光体，无需背光源和滤波器，面板更薄，成本更低，而且具有视角宽，对比度高，亮度大，响应时间快，工作电压低等优势。目前OLED已有商品化的产品，主要应用于手机、MP3和车载显示器为主的中小尺寸面板；大尺寸面板由于技术上和成本上的制约还停留在实验室阶段，但其巨大的应用前景，使全球各大厂商仍不断地加大研发力度。有机发光材料主要分为小分子OLED和大分子OLED。自从柯达公司1987年推出小分子制作过程以来，在小分子OLED上一直处于领先地位。然而由于小分子材料容易重结晶，因此器件的稳定性很差；同时小分子材料的成膜方式主要靠真空蒸镀，工艺复杂从而给器件的制备也带来了困难，且增加了成本。为了克服以上问题，人们逐渐把注意力转向具有稳定结构的高分子聚合物。1990年，英国剑桥大学的BurroughesJH等人首次报道了聚合物薄膜电致发光现象，他们发现聚对苯乙炔（PPV）及其衍生物不仅是一种导电高分子材料，同时也是一种性能优良的电致发光(EL)材料。他们用PPV作发光层成功制备了聚合物薄膜电致发光器件，在直流低电压(约14V)驱动下发出黄绿色光。1992年，聚合物电致发光薄膜在美国被评为该年度化学领域的十大成果之一。目前聚合物电致发光器件(PLEDs)的研究工作日趋活跃，可以说聚合物电致发光器件的出现标志着有机薄膜电致发光器件的研究进入了一个崭新的阶段。聚合物电致发光器件具有如下优点(1)加工性好，无需真空蒸镀，可旋涂，成本低，可实现大面积柔性制作，且超薄超轻。(2)自发光，无需背光源、滤色器，对比度高，分辨率高，视角广，可达180度。(3)驱动电压低，可使用直流干电池，且颜色可调。PLED存在的一些缺点主要集中在合成复杂，提纯困难，分子量分布不易控制，产品质量单一性差，重复性差，导致器件稳定性不够，寿命不长，显示效果不够均匀，发光效率低等。有机/聚合物电致发光器件的研究方向(1)发光机理的基础研究。(2)全色显示器相关的材料与器件的研究，如新型高效蓝光、红光、白光材料及器件结构。(3)有机/聚合物发光显示器用的有源驱动器。(4)三线态发光材料的研究。(5)有机/聚合物激光器的研究。(2)高分子光电转换材料高分子光电转换器件与高分子电致发光器件的原理正好相反。总的来说，高分子电致发光器件是电能转换为光能，而高分子光电转换器件是光能转换为电能。作为工业能源来说，太阳能有能量密度低的缺点。为了充分利用这一廉价、环保，且可再生的新能源，开发低成本、高效、且能大面积制备的太阳能光电池一直是众多科学家孜孜以求的目标，其中提高效率和降低成本则是太阳能电池得以大规模实用化的关键。目前应用于太阳能电池的光电材料主要是硅基及其它无机金属化合物。由无机材料制作的太阳能电池存在生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明和制作过程耗能高等不足，同时其转换效率也已基本达到了极限值，因此进一步改进受到相当大程度的限制。而导电聚合物的快速发展使得研究开发低成本的聚合物太阳能电池成为可能。导电高分子不仅在一定程度上具有高分子的柔韧性和可加工性，而且具有半导体或金属的导电性。由于可实现柔性、大面积薄膜的制作，因而大幅降低了成本。尽管聚合物太阳能电池的光电转换效率还较低（仅为1%～2%），目前还不能和无机半导体光电池相抗衡，但Goetzberger等多位科学家经过深入的研究推断，有机/聚合物太阳能电池的光电转换效率是有望突破10%的，如果能达到预期的转换效率，采用该类聚合物制作的高性能光电转换器件必将在太阳能电池领域获得广泛的应用。光电转换的研究大致分为三个阶段(1)对各种半导体电极/电解液体系的光电化学转换进行系统研究，以便获得廉价的光电化学转换太阳能的途径。(2)有机光敏染料体系的光电能量转换迅速兴起并得到很大的发展。(3)具有纳米结构的半导体和有机/纳米半导体复合材料成为光电化学能量转换研究的主要对象。高分子光电材料的应用前景新型平面显示器发光技术的研究是现阶段的一个热点。目前液晶显示器在一些领域里已经取代了阴极射线管占有平面显示器的主要市场。与液晶平面显示器相比,有机/聚合物电致发光平面显示器具有主动发光、轻、薄、对比度好、无角度依赖性、能耗低等显著特点，因而已表现出明显的优势，具有广阔的应用前景。近年来，关于聚合物薄膜太阳能电池的研究吸引了越来越多科学家的关注。聚合物材料环境稳定性好，价格低廉，如果利用镀有ITO的聚酯薄膜，则可以制成柔性的大面积聚合物体相异质结太阳能电池。虽然与无机光电池相比，聚合物体相异质结太阳能电池的能量转换效率较低，但其所具有的稳定性、低成本、有效面积大等特点使其非常适合于在土地利用率较低、强日照的沙漠地区使用。相信在不久的将来，聚合物体相异质结太阳能电池，必将进入我们的生活。