光电高分子材料课件

1、光电高分子材料课件 高分子光电高分子光电材料材料 光电高分子材料课件 主要内容主要内容 一，本课程的地位、作用和任务一，本课程的地位、作用和任务 二，高分子光电材料的分类二，高分子光电材料的分类 三，高分子光电材料的概况三，高分子光电材料的概况 光电高分子材料课件 本课程的地位、作用和任务本课程的地位、作用和任务 高分子光电材料是一类新型的功高分子光电材料是一类新型的功 能高分子材料能高分子材料，由于兼有高分子的可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加工性和柔韧性以及无机半导体或金 属的导电性属的导电性，因而它们在电子信息技因而它们在电子信息技 术术、通讯设备和能源等领域具有广

2、阔通讯设备和能源等领域具有广阔 的应用前景的应用前景。 光电高分子材料课件 高分子光电材料的分类高分子光电材料的分类 传导传导（导电和光导导电和光导） 显示显示 信息存储信息存储 光电转换光电转换 光电高分子材料课件 主要包括两大类材料主要包括两大类材料 电致发光电致发光：平面显示器平面显示器、照明和各式灯照明和各式灯 光布置光布置 光电转换光电转换：太阳能电池太阳能电池 光电高分子材料课件 (1) 电致发光材料电致发光材料 高分子电致发光的光源像纸一样高分子电致发光的光源像纸一样，能任能任 意弯曲意弯曲。如果解决了发光效率问题如果解决了发光效率问题，还可做还可做 普通的照明光源普通的照明光源

3、。在电致发光材料领域在电致发光材料领域，目目 前已有小批量的有机前已有小批量的有机/ /高分子显示屏用于手高分子显示屏用于手 机机、数码相机数码相机。有机有机/ /高分子显示屏被专家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是液晶显示器的更新换代产品。 光电高分子材料课件 (2) 光电转换材料光电转换材料 目前已使用的光电转换材料以单晶硅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多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制成的太阳用单晶硅制成的太阳 能电池能电池，转换效率超过转换效率超过20%，但其成本高但其成本

4、高， 主要用于空间技术主要用于空间技术。虽然多晶硅薄片制成的虽然多晶硅薄片制成的 太阳能电池的光电转换效率不高太阳能电池的光电转换效率不高(约约10%)， 但价格低廉但价格低廉，故已获得大量应用故已获得大量应用。 光电高分子材料课件 目前高分子光电材料和器件目前高分子光电材料和器件（太阳能太阳能 电池电池）的性能也得到极大改善，在模拟的性能也得到极大改善，在模拟 太阳光下光电转换效率达太阳光下光电转换效率达5，可望在最可望在最 近几年达到实用化要求近几年达到实用化要求。 光电高分子材料课件 高分子光电材料的概况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固体光电子器件是利用光量子作用

5、的 一类重要器件一类重要器件，是通过在固体材料中的是通过在固体材料中的 电电- -光或光光或光- -电效应等来实现其功能的电效应等来实现其功能的。 光电子器件材料的光转变光电子器件材料的光转变（吸收和发光吸收和发光） 一般包括的能量是从红外到近紫外光范一般包括的能量是从红外到近紫外光范 围的光子围的光子，因此光电子器件材料的能带因此光电子器件材料的能带 宽度一般在宽度一般在1.03.0eV之间之间。 光电高分子材料课件 光电子器件通常分为三类光电子器件通常分为三类 光源光源（发光二极管和二极管激光器等发光二极管和二极管激光器等） 光探测器光探测器（光导体和光二极管等光导体和光二极管等） 能量转

6、换器件能量转换器件（光伏电池等光伏电池等） 光电高分子材料课件 高分子光电材料的研究主要包括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发光材料及器件 高分子光电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场发射阴极材料 光电高分子材料课件 高分子光电材料的诞生 1977年，白川英树、黑格尔和马克迪尔年，白川英树、黑格尔和马克迪尔 米德等人发现，聚乙炔用米德等人发现，聚乙炔用I2和和AsF5 掺杂后，掺杂后， 电导率从电导率从10-6S/cm增加到了增加到了l0-2l03S/cm，传，传 统意义上的绝缘体竟然表现出了导体或半导统意义上的绝缘体竟然表现出了导体或半导 体

7、的性质体的性质！这对经典的材料分类和导电理论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都是一个巨大的挑战，也意味着新一代的功 能高分子材料能高分子材料导电高分子诞生了导电高分子诞生了。 光电高分子材料课件 导电聚合物导电聚合物 ( (Conducting polymers) ) 共轭聚合物共轭聚合物（Conjugated polymers） 电活性聚合物电活性聚合物 (Electro active polymers) ) 合成金属合成金属( (Synthetic metals) ) 导电聚合物的光电功能主要由其共轭结构中导电聚合物的光电功能主要由其共轭结构中 的电子状

8、态决定，因此人们又把它们叫做的电子状态决定，因此人们又把它们叫做 “电子聚合物电子聚合物”。 光电高分子材料课件 事实上共轭聚合物是不导电的事实上共轭聚合物是不导电的。要要 使它们表现出导体或者半导体的特征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必须使它们的共轭结构产生某种缺陷， 即进行某种即进行某种“掺杂掺杂”。 掺杂就是使共轭聚合物链上发生电掺杂就是使共轭聚合物链上发生电 荷转移或者发生氧化荷转移或者发生氧化/ /还原反应还原反应。 光电高分子材料课件 掺杂方法主要有三种掺杂方法主要有三种 电化学掺杂法电化学掺杂法 化学掺杂法化学掺杂法 物理掺杂法物理掺杂法 光

9、电高分子材料课件 日本筑波大学材料学院的化学教授白川日本筑波大学材料学院的化学教授白川 英树英树（Hidekishirakawa） 美国费城宾夕法尼亚大学的化学教授马美国费城宾夕法尼亚大学的化学教授马 克迪尔米德克迪尔米德 (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究所的物理学教授黑格尔 (Alan.J.Heeger)。 光电高分子材料课件 The Nobel Prize in Chemistry 2000 for the discovery and development of conductive p

10、olymers Alan J. Heeger Alan G. MacDiarm id Hideki Shirakawa 光电高分子材料课件 经过三十多年的努力经过三十多年的努力，已经合成了许多各种类型已经合成了许多各种类型 的导电高分子的导电高分子，其可能的应用领域包括其可能的应用领域包括：发光二发光二 极管极管、薄膜晶体管薄膜晶体管、太阳能电池太阳能电池、聚合物存储器、聚合物存储器、 聚合物光学开关聚合物光学开关、聚合物传感器聚合物传感器、聚合物激光以聚合物激光以 及聚合物非线性光学材料等及聚合物非线性光学材料等; ; 由于可望制成低成由于可望制成低成 本、柔性光电子器件而使其在光电信息领域

11、的应本、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 个崭新的研究领域个崭新的研究领域光电高分子材料光电高分子材料。 光电高分子材料课件 目前国际科技界公认目前国际科技界公认“有机有机/ /聚合物光电聚合物光电 功能材料功能材料”将为新世纪信息产业的飞速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。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正如美国德克萨斯大学的教授艾伦巴巴 德所说，德所说， “在材料科学领域，对有机在材料科学领域，对有机/ /聚聚 合物材料电子过程的研究将

12、建立一个由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新型电子屏幕、存储器和晶体管组成的 “有机电子工业有机电子工业”。 光电高分子材料课件 高分子高分子光电材料的光电材料的研究现状研究现状 光电导效应光电导效应：是在光照的条件下材料是在光照的条件下材料 电导率发生改变的现象电导率发生改变的现象，它包括以下几它包括以下几 个物理过程个物理过程：吸收光吸收光载流子产生载流子产生 载流子驰豫载流子驰豫载流子迁移或复合载流子迁移或复合。它它 是光电子学中一个非常重要的性能是光电子学中一个非常重要的性能，是是 光伏器件光伏器件、空间光调制器空间光调制器、硬拷贝设备硬拷贝设备

13、和光电子计算机的应用基础和光电子计算机的应用基础。 光电高分子材料课件 (1 1) 高分子电致发光材料高分子电致发光材料 1936年年，居里夫人实验室的居里夫人实验室的G. Destnau 将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜，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发现了有机电致发光现象。20世纪世纪50年代人年代人 们开始了用有机材料制作电致发光器件的探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，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

14、。真正引起人们的重视。 光电高分子材料课件 1987年，美国柯达公司的年，美国柯达公司的Tang C W用用 8羟基喹啉铝络合物作为发光层制作出的羟基喹啉铝络合物作为发光层制作出的 有机电致发光器件有机电致发光器件(OLED)受到了广泛的关受到了广泛的关 注，才形成了一个新的研究热点。注，才形成了一个新的研究热点。 光电高分子材料课件 OLED：有机电致发光器件有机电致发光器件 是指有机半导体材料和发光材料在是指有机半导体材料和发光材料在 电场驱动下电场驱动下，通过载流子注入和复合导通过载流子注入和复合导 致发光的现象致发光的现象。 利用有机小分子为发光材料利用有机小分子为发光材料制成的制成的

15、 显示器被称为有机发光显示器，也叫显示器被称为有机发光显示器，也叫 OLED显示器。显示器。 光电高分子材料课件 OLED的特点的特点 OLED为自发光体为自发光体，无需背光源和无需背光源和 滤波器滤波器，面板更薄面板更薄，成本更低成本更低，而且具而且具 有视角宽有视角宽，对比度高对比度高，亮度大亮度大，响应时响应时 间快间快，工作电压低等优势工作电压低等优势。 光电高分子材料课件 目前目前OLED已有商品化的产品已有商品化的产品，主主 要应用于手机、要应用于手机、MP3和车载显示器为主和车载显示器为主 的中小尺寸面板的中小尺寸面板；大尺寸面板由于技术大尺寸面板由于技术 上和成本上的制约还停留

16、在实验室阶段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但其巨大的应用前景，使全球各大厂商使全球各大厂商 仍不断地加大研发力度。仍不断地加大研发力度。 光电高分子材料课件 有机发光材料主要分为小分子有机发光材料主要分为小分子OLED和和 大分子大分子OLED。自从柯达公司。自从柯达公司1987年推出小年推出小 分子制作过程以来，在小分子分子制作过程以来，在小分子OLED上一直上一直 处于领先地位。然而由于小分子材料容易重处于领先地位。然而由于小分子材料容易重 结晶，因此器件的稳定性很差结晶，因此器件的稳定性很差；同时小分子同时小分子 材料的成膜方式主要靠真空蒸镀，工艺复杂材料的成膜

17、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。力转向具有稳定结构的高分子聚合物。 光电高分子材料课件 1990年，英国剑桥大学的年，英国剑桥大学的Burroughes J H 等人首次报道了聚合物薄膜电致发光现象，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他们发现聚对苯乙炔（PPV）及其衍生物不仅及其衍生物不仅 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 优良的电致发光优良

18、的电致发光(EL)材料。他们用材料。他们用PPV作发光作发光 层成功制备了聚合物薄膜电致发光器件，在层成功制备了聚合物薄膜电致发光器件，在 直流低电压直流低电压(约约14V)驱动下发出黄绿色光。驱动下发出黄绿色光。 光电高分子材料课件 1992年，聚合物电致发光薄膜在美年，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

19、个崭新的阶段。发光器件的研究进入了一个崭新的阶段。 光电高分子材料课件 聚合物电致发光器件具有如下优点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，自发光，无需背光源、滤色器，对比度高， 分辨率高，视角广，可达分辨率高，视角广，可达180度度。 (3) 驱动电压低，可使用直流干电池，且颜色驱动电压低，可使用直流干电池，且颜色 可调可调。 光电高分子材料课件 PLED存在的一些缺点存在的一些缺点 主要集中在合

20、成复杂，提纯困难，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，够，寿命不长，显示效果不够均匀， 发光效率低等发光效率低等。 光电高分子材料课件 有机有机/ /聚合物电致发光器件的研究方向聚合物电致发光器件的研究方向 (1)发光机理的基础研究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新型高效蓝光、红光、白光材料及器件结构。 (3)有机有机/ /聚合物

21、发光显示器用的有源驱动器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三线态发光材料的研究。 (5)有机有机/ /聚合物激光器的研究聚合物激光器的研究。 光电高分子材料课件 (2)高分子光电转换材料高分子光电转换材料 高分子光电转换器件与高分子电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为光能，而高分子光电转换器件是光 能转换为电能能转换为电能。 光电高分子材料课件 作为工业能源来说，太阳能有能量密作为工业能源来说，太阳能有能量密

22、 度低的缺点。为了充分利用这一廉价、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、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。得以大规模实用化的关键。 光电高分子材料课件 目目前应用于太阳能电池的光电材料主要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

23、艺复杂、成本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，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的聚合物太阳能电池成为可能。 光电高分子材料课件 导电高分子不仅在一定程度上具有高分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，而且具有半导体或子的柔韧性和可加工性，而且具有半导体或 金属的导

24、电性。由于可实现柔性、大面积薄金属的导电性。由于可实现柔性、大面积薄 膜的制作，因而大幅降低了成本。膜的制作，因而大幅降低了成本。 光电高分子材料课件 尽管聚合物太阳能电池的光电转换效率尽管聚合物太阳能电池的光电转换效率 还较低还较低（仅仅为为1%2%），目前还不能和无，目前还不能和无 机半导体光电池相抗衡，但机半导体光电池相抗衡，但Goetzberger等等 多位科学家经过深入的研究推断，有机多位科学家经过深入的研究推断，有机/ /聚聚 合物太阳能电池的光电转换效率是有望突破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，采用的，如果能达到预期的转换效率，采用 该

25、类聚合物制作的高性能光电转换器件必将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。在太阳能电池领域获得广泛的应用。 光电高分子材料课件 光电转换的研究大致分为三个阶段光电转换的研究大致分为三个阶段 (1)对各种半导体电极对各种半导体电极/ /电解液体系的光电电解液体系的光电 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光电化学转换太阳能的途径。 光电高分子材料课件 (2)有机光敏染料体系的光电能量转换迅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速兴起并得到很大的发展。 光电高分子材料课件 (3) 具有纳米结构的半导体和有机具有纳米结构的半导体和有