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1、·146·高分子通报2008年8月共轭聚合物发光和光伏材料研究进展3邹应萍,霍利军,李永舫(中国科学院化学研究所有机固体重点实验室,北京100190)摘要:聚合物光电功能材料与器件因其广阔的应用前景,1990年以年来吸引了世界各国学术界的广泛关注和兴趣。聚合物光电子器件主要包括聚合物电致发光二极管、聚合物场效应晶体管和聚合物太阳能电池等,其使用的关键材料是共轭聚合物光电子材料,包括共轭聚合物发光材料、场效应晶体管材料和光伏材料等。本文主要对共轭聚合物电致发光材料和光伏材料的研究进展进行综述,介绍了这些聚合物材
2、料的种类、结构和性质以及在聚合物电致发光器件和聚合物太阳能电池中的应用。并讨论了当前共轭聚合物光电子材料中的关键科学问题和今后的发展方向。关键词:共轭聚合物;聚合物发光材料;聚合物光伏材料;聚合物发光二极管;聚合物太阳能电池引言有机光电子学作为一个新兴的研究领域,历经了从设计和开发新型有机光电材料、到有机薄膜器件的研究、再到学术界和工业界广泛关注的发展进程。目前,有机光电器件已经实现了无机半导体光电器件的部分功能,有机电致发光二极管、有机光伏电池、有机场效应晶体管、有机传感器以及有机信息存储———呈现(如图1
3、所示);而且,在某些方面已经体现出无机半导体器件无法比拟的优势(如轻、薄、柔性等)。其发展进程清楚地表明,这些器件的发现和发展强烈依赖于性能优异的有机光电子材料的发展。共轭聚合物光电子材料是有机光电子材料的重要组成部分,尤其是在可溶液加工的有机光电子材料方面[1～5]占有主导的地位。共轭聚合物光电子材料与无机半导体材料相比另一个突出的特点是、其光电性质容易通过简单的化[6,7]学修饰(即引入特定的官能团)进行改善和调节,从而可通过对材料的化学修饰来实现对器件的性能控制。本文将主要对共轭聚合物电致发光和光伏材料
4、及其在聚合物发光二极管(PLED)和聚合物太阳能电池(PSC)中的应用进行综述。PLED和PSC这两种器件有一个共同的特点,都是一种能量转换器件:PLED是将电能转换成光能,而PSC是将光能转化成电能。下面作者将首先介绍聚合物电致发光材料,然后对聚合物光伏材料进行介绍。1共轭聚合物电致发光材料有机电致发光(Electroluminescence,EL)是指有机材料在一定的电流或电场的作用下发光的现象,是一个将电能直接转化为光能的过程。基于无机半导体材料的EL器件制作成本较高,而且由于是点光源很难实现大面积的平
5、板显示。PLED具有低驱动电压、超薄、主动发光、宽视角、高清晰、响应速度快,工艺简单的特点,成为有前途的下一代平板显示技术。PLED具有简单的夹心式(三明治)结构,由透光ITO正极、金属负极、及夹在其间的聚合物发光层构成。其电致发光过程如图2所示,涉及载流子的注入、传输、载流子复合产生激子、激子复合发光等一系列物理过程。当在器件的两个电极上加上足够高的直流电压时,电子从低功函数的金属负极、空穴从高基金项目:国家自然科学基金项目,编号:20574078,50633050,20721061;作者简介:邹应萍(19
6、79-),女,博士研究生,研究方向为共轭聚合物光电子材料;3通讯联系人:liyf@iccas.ac.cn.第8期高分子通报·147·功函数的正极分别克服聚合物P电极界面的能垒ΔEe和ΔEh注入到发光聚合物的最低空轨道(LUMO)能级和最高占有轨道(HOMO)能级中,这两种载流子在外加电场作用下在聚合物中向中心迁移,在层中某个位置相遇复合形成激子,激子向基态辐射跃迁而发光。其中载流子的注入是共轭聚合物实现电致发光的一个关键。图1有机光电功能材料的应用Figure1Applicationoforganicopto
7、electronicfunctionalmaterials图2单层PLED器件载流子注入、传输、复合发光的示意图图中IP和EA为聚合物材料离子化势能和电子亲和能Figure2TheschematicdiagramofthesinglelayerPLED美国柯达公司的Tang、英国剑桥大学卡文迪许实验室的Friend和美国加州大学圣巴巴拉分校Heeger[8]小组对有机电致发光领域的发展做了突出的贡献。1990年,Borroughes等报道了聚对苯撑乙烯(PPV)的电致发光现象,开辟了共轭聚合物电致发光材料研究
8、的新领域。1992年,Heeger等制备出首个柔性PLED[9]器件,展示了柔性聚合物光电子器件的应用前景。1998年吉林大学马於光等用锇的配合物掺杂到聚乙[10]烯咔唑中,制备了有机电致磷光器件。同年美国普林斯顿大学的Forrest研究组采用基于铂的金属螯合物实现了电致磷光发射,开辟了有机电致磷光材料的先河,拓展了有机发光材料的种类使其不再局限于荧光材料,使得有机发光二极管(OLEDs,包括PLE
