空穴传输材料5,10,15-三苯基-5H-二吲哚[3,2-a:3’,2’-c]-咔唑作为活性层在高效光电领域的应用外文翻译资料

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空穴传输材料5,10,15-三苯基-5H-二吲哚[3,2-a:3rsquo;,2rsquo;-c]-咔唑作为活性层在高效光电领域的应用

郑燕琼，William J.Potscavage Jr，张建华，魏斌，黄荣娟

为了探索透明空穴传输材料5,10,15-三苯基-5H-二吲哚[3,2-a:3rsquo;,2rsquo;-c]-咔唑（TBDI）的新应用，本文中TBDI在光电探测器（PD），OLED，有机光伏电池（OPV）中首次被用作活动层而不是缓冲层。首先，测定由TBDI和电子传输材料二(2-甲基-8-喹啉)- 苯基苯酚（BAlq）组成的混合层的吸收和发射光谱。建立在吸收性质的基础上，有机光电探测器在320nm处有一个吸收峰，在320nm光照下，有相对较高达到2.44*10¹¹cm﹒Hz^0.5/W灵敏度。TBDI/Alq₃的OLED器件显示了与传统alpha;-NPD/Alq₃OLED器件相当的外量子效率和电流效率。重量占5% 的C₇₀为主体的肖特基结有着高达5%的能量转化率，远远超出了同样配置下alpha;-NPD为主体的器件1.7的能量转化率。这些结果暗示了TBDI在肖特基结的空穴传输中的低浓度供体方面有一些令人期待的性质。

1.引言

有机光电子设备在性能上已获大量提高。根本上，一些有稳定能级的供体或者设计新颖有效的设备结构能提高性能。除了活动层，缓冲层的提高也在有机光电子设备的提高上扮演了一个重要的角色，例如新型单缓冲层或者氧化钼/有机混合缓冲层。

然而，低的空穴迁移率在空穴传输材料或者分离材料在很多情况下限制了它本身的性能。空穴传输材料拥有高的空穴迁移率，和供体匹配良好的电离电势，和高的玻璃态转变温度，这些特点能解决一些关键的性能问题。空穴传输材料TBDI是新合成的，并被用作阳极缓冲层来提高平面亚酞菁基异质结光电池，因为它在0.3mV/cm的电场内不仅有高的空穴迁移率（5.95*10-3cm2.V-1.s-1），还有对应的HOMO能级和绝佳的形态稳定性。这些特点克服了m-MTDATA空穴迁移率低的缺陷与TPD热稳定性和形态稳定性差的问题。以上优点表明TBDI是不错的阳极缓冲层材料，然而，至今为止TBDI只在作为缓冲层被报道过器件性能，而它作为活动层的表现还未被广泛报道。在此，我们在本文中首次把TBDI的应用扩大到光电探测器、有机发光二极管、有机光电池活动层上，以获得相比传统空穴传输材料更高的能量转化效率。

2实验

所有的有机材料都是在Wako纯化学品公司（日本Osaka）采购的，在使用之前全部材料，除了TBDI和C₇₀以外，都经过真空梯度升华提纯（提纯效率大约在99%）。纯度98%以上的TBDI和C₇₀分别采购于发光科技有限公司（台湾）和材料技术调查（美国克利夫兰）并未经再提纯。有机和金属层都有序通过遮光板放置在清洁的，以一片电阻为15Omega;/平方米，大小为0.04cm²为底层的ITO玻璃上。首先，将一层厚度为20nm的聚乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS，Clevios，PVP AI 4083）旋涂在ITO基底上（3000转/分钟，60s），然后以空气中200 ℃条件下，退火10分钟。有机和金属材料的蒸发速率分别在0.04nm/s和0.03nm/s，而TBDI与C₇₀的混合层蒸发速率比值应该在1:19左右。

空气中测试了未封装黑暗条件下，太阳光模拟器（SRO-25GD，Bunko Keiki Co.,Japan）1000W/m²光照下的OPV电流密度与电压特性。测量外量子效率（EQE）所使用的单色光由氙灯和单光器（Bunko Keiki M25-T）组合而成。在EQE的测量过程中，波长测量从200nm到1100nm，全程由单光器控制。在空气中，测试了氙灯单色光照下（320nm或365nm）未封装光电探测器的J-V特性。由以Keithley 2400数字源表和Minolta PR-6500光谱仪组成的测试组合来测量和记录OLED的电流密度-电压-发光（J-V-L）性质和电致发光谱（EL）。吸收光谱和光致发光谱（PL）则由紫外分光光度计（LAMBDA950-PKA，PerkinElmer）和荧光分光光度计（Fluoro Max-40，Horiba Co.）测得。最后HOMO能级由紫外光电子能谱（AC-2，Riken Keiki Co.）来测得。

3结果与讨论

图一所表现的是，TBDI、BAlq和掺杂体系的紫外吸收光谱和光致发光谱。在掺杂体系中，吸收峰位于320nm处，靠近纯TBDI的最大峰。光致发光谱上三者的吸收峰分别在397nm，485nm和485nm处。TBDI/BAlq掺杂体系的发射主要来源于TBDI。掺杂体系发射的提高伴随着TBDI发射的消失这一现象，表明了能量从TBDI转移到BAlq，类似于TPD：Alq3系统的能量转移。近年来，大部分对有机光电探测器的调查研究都集中于紫外区和近红外区，320nm处相对较窄的最大吸收表明了TBDI/BAlq掺杂体系可以被应用于紫外光电探测器。

为了获得比平面异构光电探测器更高的光电流响应，制出了平面混合异构的光电探测器，器件配制是150nm的ITO层/20nm的PEDOT层/15nm的TBDI层/50nm的TBDI：BAlq=1:1层/1nm LiF层/80nm Al层。图二描述了光电流光谱响应和外量子与波长在零偏压下的依存关系。外量子光谱几乎完全集中在300nm到400nm处。图二表明了在黑暗中320nm和365nm紫外光灯下的J-V特性。电流密度在光照为320nm和365nm分别为20.2mu;A/cm²和27.8mu;A/cm²，电压为-8V，产量响应分别为142mA/W和58mA/W。365nm光照下的响应比m-MTDATA：BAlqPD（513 mA/W）低，这是由于在TBDI：BAlq掺杂体系中辐射造成的能量损失，但是它的产量响应高于TPD：Alq³（30mA/W）。在320nm和365nm的光照下，灵敏度分别为2.44*10¹¹cm﹒Hz^0.5/W和1.05*10¹¹cm﹒Hz^0.5/W，比得上方酸基团近红外光电探测器和ITO深紫外光电探测器。

我们团队测出TBDI的HOMO轨道能级为5.48eV，比循环伏安法得出的5.25eV更高。考虑到alpha;-NP的HOMO能级与TBDI相似，它们在OLEDs中的空穴传输性质也差不多。OLEDs是以ITO（100nm）/alpha;-NPD或TBDI（50nm）/Alq₃（50nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）的配制制作而出的。下图3所示是以两种OLEDs的EL光谱呈现的外量子效率和电流密度的关系和电流密度与光照的关系。可以发现TBDI和alpha;-NPD为基础的OLED显示了相似的EL曲线，拥有几乎完全相同的主峰波长，这与驱动电压的提升是相关的。TBDI的OLED器件显示了最高的电流效率（2.76cd/A），同alpha;-NPD的OLED器件不分伯仲。TBDI的OLED器件达到了和alpha;-NPD的OLED器件几乎相同的最大外量子效率，前者为0.87%，后者为0.83%。色坐标（CIE）为（0.20,0.34），和520nm处的最大发射峰相吻合（蓝绿光）。这些结果显示了TBDI在OLED器件上具备与空穴传输材料alpha;-NPD相当的性能。

除了高的HOMO轨道能级，TBDI完美的光学透明度和空穴迁移率和其他优秀的空穴传输材料例如TAPC相似。因为TBDI在可见光波长范围内的高透明度，它曾被用于制造有机光伏电池（OPV）的缓冲层。然而它合适的HOMO轨道能级和空穴迁移率，很适合制造成有少量供体的肖特基结，因此我们准备了如下配制的光电池结构：ITO/PEDOT：PSS（20nm）/MoO³（8nm）/TBDI：C₇₀（5wt%，50nm）/BCP（10nm）/Ag（100nm）。另一个以alpha;-NPD为基底同样配置的光电池被拿来作比较。图4描述了他们的J-V特性和外量子效率谱，表一概括了这两个肖特基结的光电子光电池特性。从表中可以反映出TBDI肖特基结的mu;_PCE值高于alpha;-NPD肖特基结，并接近于TAPC肖特基结的mu;_PCE。

5-wt%的供体掺杂体系的电子迁移率大约比空穴迁移率高3个量级，有利于电荷分离。供体和电子迁移率之间的量级区别会降低填充因子。肖特基结中包含少部分的供体，混合层需要很高的mu;_h来克服空穴跳跃距离。TBDI相比alpha;-NPD固有的mu;_h更高，这会促进更高的填充因子，而填充因子这一物理量代表了器件内的电荷传输效率和电荷富集效率。图4表现了纯TBDI，纯C₇₀和TBDI：C₇₀掺杂体系的吸收光谱。5-wt%-TBDI掺杂体系对光的吸收主要源于C₇₀，而TBDI则贡献了可见光波长范围内很少的一部分吸收。5-wt%-TBDI掺杂体系有效减少了C₇₀中Frenkel激子的重组辐射，这对高短电路电流有很大影响。尽管TBDI和alpha;-NPD有相似的HOMO能级，TBDI器件（0.94V）的开路电压要比alpha;-NPD器件（0.81V）高，这说明了开路电压不仅由肖特基结势垒高度决定，也因为电荷俘获，受供体材料的影响。更高的开路电压也决定了最终的mu;_PCE。

4结论

我们证明了TBDI在有机光电探测器、有机电致发光材料、有机光伏电池中不仅能作为缓冲层，还能作为活动层。TBDI：BAlq混合的光电探测器在320nm处可以响应。TBDI在OLED中还显示了与alpha;-NPD相当的外量子效率和电流效率，在5-wt%-TBDI掺杂体系肖特基结中，TBDI的mu;_PCE远高于alpha;-NPD。尽管TBDI只是在OLED和PD中表现出了同传统空穴传输材料相当的性能，然而5-wt%-TBDI掺杂体系肖特基结表现了它优秀的mu;_PCE（5%）。这些结果表明TBDI在作为肖特基结低浓度供体的空穴传输材料方面有一些令人期待的性质。更多的研究需要放在TBDI其他的性质和工作机制上，以获得更高性能的TBDI为基底的肖特基结。

致谢

对日本Kyushu大学Chihaya Adachi实验室提供部分实验器材由衷感谢。

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