荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的结构设计与性能研究

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随着人们生活质量和健康意识的增强,节能、舒适、环保、健康的绿色照明光源的发展得到了学术界与工业界的很大重视。相比于传统的荧光灯和无机有机发光二极管(LEDs)等照明光源,有机发光二极管(OLEDs)被公认为是21世纪最新一代的节能环保固态照明技术。OLEDs具有高效率、低能耗、无影、平面发光、柔和无眩光、轻薄、柔性可弯曲、无蓝光伤害等独特优点,被认为是最有前途的照明光源,未来在家居照明、汽车照明、医疗照明以及公共照明等领域必将会得到广泛的应用。荧光/磷光混合型白光OLEDs是由高稳定性的蓝光荧光材料与黄光(或红光和绿光)磷光材料相结合制备而成,该器件不但具有蓝光荧光材料所具有的高稳定性,还拥有长波长磷光染料高效率的优势,对于以商业化为目的的白光OLEDs照明应用来说,混合型结构无疑是一种最好的选择。在荧光/磷光混合型白光OLEDs中,由于所使用的蓝光发光客体的荧光材料三线态能级比大多数的磷光材料三线态能级要低,所以会对三线态激子造成严重的淬灭,降低器件效率。如何减少这种淬灭,是荧光/磷光混合型WOLEDs急需解决的重要课题,而器件效率、显色指数、寿命和光谱稳定性等综合性能有待进一步改善,工作机制也需要深入研究。基于以上考虑,本论文开展了基于传统蓝光荧光材料的荧光/磷光混合型白光OLEDs的结构设计与性能研究,通过对发光材料的选择以及器件结构的设计,成功地构筑出了高效率、低滚降荧光/磷光混合型白光OLEDs,并对工作机制进行了深入探讨。论文具体工作内容如下:1、设计制备了一种基于4P-NPD:Bepp2混合体异质结为蓝光发光层结构的高效荧光/磷光混合型白光OLEDs。其中的发光层依次包含黄光磷光染料掺杂空穴传输材料的黄光发光层、空穴和电子传输材料混合的蓝光发光层和插入在电子传输材料中的超薄绿光磷光发光体。可以看出,超薄的绿光磷光层对激子起到了很好的调节作用,使激子得到了高效利用。最终优化得到的白光器件,最大外量子效率和功率效率为18.2%和72.9 lm W-(16),在100 cd m-(17)亮度下分别达到了16.7%和61.7 lm W-(16),在1000 cd m-(17)亮度下仍然高达12.5%和37.7 lm W-(16),显示出高效率和低效率滚降的特点。2、设计制备了一种基于4P-NPD/Bepp2双层异质结为蓝光发光层结构的高效荧光/磷光混合型白光OLEDs。其中制备的两色白光器件,发光层是由掺入在空穴传输材料中的超薄黄光磷光发光层、4P-NPD/Bepp2双层异质结蓝光发光层和插入在电子传输材料中的具有三重态-三重态湮灭(TTA)上转换特性的辅助层构成。可以看出,TTA上转换层在高亮度下实现了对三线态激子的很好利用,从而大大降低了器件在高亮度下的激子淬灭,改善了效率滚降。该器件最大外部量子效率和功率效率分别为23.6%和68.8 lm W-(16),在1000 cd m-(17)亮度时仅下降至18.3%和38.1 lm W-(16),在5000 cd m-(17)亮度时仍有17.1%和25.9 lm W-(16),远高于不含TTA上转换层的器件效率。该器件的稳定性也得到了改善,在1000 cd m-(17)亮度下的工作寿命达到了600小时,几乎是对比WOLED的两倍,充分展示了TTA上转换层的重要作用。另外,还采用4P-NPD/Bepp2异质结作为蓝光发光层,并结合红光、黄光和绿光磷光超薄层方法,制备出了高效荧光/磷光混合型白光OLEDs。可以看到,该器件具有高效率、稳定的光谱发射、高CRI和低效率滚降的优异综合性能,最大外量子效率和功率效率分别达到23.4%和50.4 lm W-(16),在1000 cd m-(17)亮度时保持在20.3%和31.2 lm W-(16)。此外,该器件在整个亮度范围内都显示了极其稳定的光谱发射,在1000 cd m-(17)的色度坐标为(0.49,0.43),显色指数CRI高达93,非常适合做室内照明。3、设计制备了一种基于具有高三线态能级的双极性蓝光荧光材料PBI-PPI-TPA为蓝光发光层的高效荧光/磷光混合型白光OLEDs。可以看到,PBI-PPI-TPA不仅是高效的蓝光荧光发光材料,也是良好的磷光主体材料,作为发光层很好地实现了载流子的无势垒注入和传输,提高了激子的利用率。制备的两色(BO型)白光OLEDs,最大外量子效率和功率效率达到了23.6%和77.8 lm W-(16),在1000 cd m-(17)亮度下仍保持20.0%和49.5 lm W-(16);制备的三色白光OLEDs,最大外量子效率和功率效率达21.5%和53.2 lm W-(16),在1000 cd m-(17)亮度下为17.2%和26.8 lm W-(16),CRI也达到约70,充分显示了PBI-PPI-TPA这类材料系统用来制备高效荧光/磷光混合型白光OLEDs潜在的应用价值。
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