西交大吴朝新Nano Energy：功率效率超过220 lm W-1的白光有机电致发光二极管

引言

照明用电超过了全球电力总消耗的20%以上，已经广泛应用于平板显示产品的有机电致发光二极管（OLEDs）技术具有色温可调节、轻薄面光源、柔性、低深蓝光成分的特点，可以和无机LEDs优势互补，在固态照明领域具有广泛的应用前景。相比于白光LEDs，白光有机电致发光二极管（WOLEDs）的功率效率仍然偏低，一定程度上限制了WOLEDs的固态照明应用。在WOLEDs中，要获得极限的功率效率，需要同时实现接近100%的内量子效率、尽可能低的器件驱动电压和尽可能高的器件光提取效率。实际上，利用有机磷光和延迟荧光材料可以实现接近100%的内量子效率；采用激基复合物主体以及电掺杂技术也可实现低的器件驱动电压。然而，WOLEDs中金属电极引起的等离子体模式能量损失极大阻碍了光提取效率的提高，基于布拉格衍射机制的褶皱结构器件在有限降低等离子体模式能量损失的同时会破坏器件的平面型以及产生额外的漏电流，从而限制了WOLEDs效率的进一步突破。

研究内容

针对以上等离子体模式光提取的问题，吴朝新团队研究了一种基于超厚有机多异质结空穴传输层的反型底发射WOLEDs器件结构，同时实现了高效的空穴注入和等离子体模式能量损失的抑制。一方面，超厚有机多异质结空穴传输层增加发光层和金属电极之间的距离，极大抑制了近场等离子体模式能量损失。另一方面，通过电学特性研究，观察到随着有机异质结电荷产生层数量的增加，尽管空穴传输层厚度变大，在照明所需亮度对应的电流密度范围内，器件驱动电压不但没有升高，甚至可以进一步抑制器件漏电流。在此基础上并结合常规的外光提取技术，在空穴传输层厚度为240 nm的超厚反型器件中，实现了228.4 lm/W的峰值正向功率效率，相比于空穴传输层厚度为60 nm 的器件，功率效率提高了57%；同时，在1000 cd m^-2的亮度下，实现了166.3 lm/W的正向功率效率，该结果经过第三方中科院苏州纳米研究所测试分析中心认证为165 lm/W，为目前国内外文献报道的最高值。该工作提出的超厚反型底发射器件结构为实现高效率WOLEDs开辟一条新的途径。

该项研究工作以题目为“Inverted Bottom-Emitting White Organic Light-Emitting Diodes with Power Efficiency over 220 lm W^-1”近期发表于国际期刊Nano Energy (2020，doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105660)（影响因子 16.6，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105660）。第一作者为于跃博士；西安交通大学吴朝新教授、焦博副教授和苏州大学冯敏强教授为共同通讯作者，其中西安交通大学为第一作者和第一通讯作者单位。该工作得到国家重点研发计划项目“高亮度小型器件关键技术”（编号2016YFB0400702）的支持。

西安交通大学吴朝新教授团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如发光二极管与太阳能电池，近期有多项重要成果发表于国际顶级期刊：JACS,Joule,Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究内容可参见吴朝新教授课题组主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

图文导读

图一.(a) 超厚有机多异质结空穴传输层原理图，(b)反型WOLEDs的器件结构和能级，(c)器件所用材料的分子结构。

图二.普通玻璃基板（折射率1.45）制备的反型WOLEDs (a)J-L-V曲线，(b)EQE曲线，(c) PE曲线，(d)驱动电压为4V时的归一化EL光谱，(e) 厚度为240 nm有机多异质结空穴传输层WOLED器件不同亮度下的EL光谱，插图为1000 cd m^-2亮度下的WOLED照片，(f) 240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLED器件在驱动电压为4V时的不同角度EL光谱。

图三.普通玻璃基板（折射率1.45）制备的反型WOLEDs (a) 60 nm和240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLEDs器件结构示意图，(b) 60 nm和240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLEDs器件的 J-L-V曲线对比，(c) 60 nm和240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLEDs器件EQE和PE曲线对比，(d) 240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLED器件EQE曲线和TTA模型拟合，(e) I-V曲线细节，(f) 不同有机多异质结空穴传输层厚度器件在1, 5, 10, 和100 mA cm^-2电流密度下的电压曲线，(g)不同厚度（周期）有机多异质结堆叠器件的I-V曲线，(h)不同厚度（周期）有机多异质结堆叠器件在1, 5, 10, 和100 mA cm^-2电流密度下的电压曲线，(i) 不同厚度（周期）有机多异质结堆叠器件的C-V曲线。

图四.高折射率玻璃基板（折射率1.75）制备的反型WOLEDs (a)J-L-V曲线，(b) PE曲线，(c) 60 nm和240 nm厚度有机多异质结空穴传输层WOLEDs器件EQE和PE曲线对比，(d) EQE曲线，(e) 和文献报道的器件性能对比。

图五.理论仿真和峰值效率实验结果对比 (a)普通玻璃基板（折射率1.45）WOLEDs器件，(b)高折射率玻璃基板（折射率1.75）WOLEDs器件。

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