有机器件中电致发光与光伏转换共存路径的突破

《Nature Communications》：A pathway to coexistence of electroluminescence and photovoltaic conversion in organic devices

在有机器件中同时实现高电致发光效率和高功率转换效率一直是个巨大挑战。为解决这一效率权衡难题，研究人员通过精确调控给体/受体界面的电荷转移态，利用具有强吸收和高发射效率的多重共振热激活延迟荧光材料，成功开发出能发出全光谱可见光的多功能器件。该研究实现了超过8.5%的外量子效率和约0.5%的功率转换效率，为自供电显示和照明等新兴应用开辟了新途径。

　　

在当今追求可持续发展的社会中，降低电子设备的能耗已成为重要课题。想象一下，如果智能手机的屏幕在阳光或室内光下闲置时能够自动充电，或者照明设备能够利用吸收的光线为自己供电，那将多么美妙！这正是有机多功能器件所承诺的未来图景。然而，实现这一愿景的道路上存在一个核心矛盾：在单个有机器件中，高亮度的电致发光和高效率的光伏能量转换如同鱼与熊掌，难以兼得。因为优化其中一种性能的设计原则，往往会损害另一种性能。以往的研究尝试，例如使用rubrene和富勒烯C₆₀的器件，虽然实现了约3%的光伏转换效率，但其电致发光效率极低，低于0.001%。近年来，虽有量子点器件在红光区域实现了8%的电致发光效率和0.2%的光伏效率，但发射颜色单一。如何突破这一长期存在的效率权衡，实现全彩高效发光与能量收集的共存，是领域内亟待解决的关键科学问题。

针对上述挑战，由日本广播协会（NHK）科学技术研究实验室的Taku Oono和东京理科大学的Yusuke Aoki等人组成的研究团队，在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们提出了一种创新的策略，通过精心选择材料和设计器件结构，成功地在单一有机器件中协调了电致发光和光伏转换功能。

本研究主要采用了器件制备与光电表征、能级表征以及光物理性质测量等关键技术方法。器件制备在镀有氧化铟锡（ITO）的玻璃基板上进行，通过旋涂和真空热蒸发沉积有机层和电极。光电表征包括测量器件的电流密度-电压特性、电致发光光谱、亮度、外量子效率以及在不同光照条件下的光伏性能。材料的电离能和电子亲和能分别通过大气光电子能谱和低能量逆光电子能谱测定。此外，还测量了薄膜的光致发光光谱、瞬态光致发光和光致发光量子产率，以研究材料的发光特性与激子动力学。

器件架构与多功能操作设计

研究团队设计的多功能器件基本结构包含空穴注入/提取层、负责激子生成的给体-受体对以及电子注入/提取层。其核心创新在于选择了具有高发光效率和高三重态能级的MR-TADF材料作为给体或受体。这些材料不仅发射效率高，斯托克斯位移小，因而在太阳光谱范围内有强吸收，而且其小的单重态-三重态能隙有利于抑制非辐射能量损失，这对提升光伏性能至关重要。

电致发光对给体性质的依赖性

当固定受体材料为CzDBA时，研究人员系统改变了给体材料。结果发现，器件的发光亮度和电致发光外量子效率强烈依赖于给体材料。只有采用高三重态能级的给体材料时，电致发光外量子效率才能超过0.5%。更重要的是，研究发现给体/受体界面的激子结合能对发光行为有显著影响：较低的激子结合能有利于激子解离，从而导致更强的给体本征发射，而非激基复合物发射。

光伏性能与能级关联

在光伏性能方面，由于给体-受体对具有较大的电荷分离态能量和较高的电荷转移态能量，大多数器件都表现出超过1.5V的高开路电压。特别值得注意的是，采用MR-TADF材料作为给体的四个器件，其光伏转换效率达到了约1%。这归因于MR-TADF材料的强吸收和其高三重态能级对激子能量的有效限制。研究还发现，器件的开路电压损失很小，这与较低的激子结合能密切相关。

发射颜色调控与激子结合能的作用

为了实现多色发光，研究人员以v-DABNA作为给体，搭配不同的受体材料。结果成功获得了从蓝色到红色的多种发光颜色。关键发现是，激子结合能的大小直接决定了发光颜色和机制：在激子结合能较低的器件中（如使用B4PyMPM作为受体），主要观察到给体v-DABNA的蓝色发射；而在激子结合能较高的器件中（如使用Cz-TRZ-Py作为受体），则主要观察到激基复合物的黄色发射。这表明通过调控激子结合能，可以实现对器件发光颜色的精确控制。

高效多色多功能器件的实现

基于上述机理理解，研究团队成功制备了发射蓝、绿、黄、橙、红及白光的多功能器件。其中，绿光和橙光器件的性能尤为突出，电致发光外量子效率超过8.5%，同时光伏转换效率达到约0.5%。这是目前报道的性能最高的有机多功能器件。通过引入掺杂层，进一步拓宽了复合区域，提升了电致发光效率。此外，通过掺杂红光磷光材料Ir(piq)₃，还实现了可随电流密度变化从红光到白光的动态发光调控。

这项研究成功地证明了在单一有机器件中协同实现高电致发光效率和高光伏转换效率的可能性。通过采用具有强吸收和高光致发光效率的多重共振热激活延迟荧光材料，并精确调控给体/受体界面的电荷转移态特性，特别是激子结合能，研究团队不仅克服了长期以来存在的效率权衡问题，而且实现了从蓝色到红色的全光谱可见光发射。该工作阐明了激子结合能在决定器件发光颜色和效率方面的关键作用，为优化多功能器件性能提供了新的设计准则。这些发现为下一代自供电显示器和照明设备等新兴应用奠定了坚实的基础，预示着有机光电子技术朝着更低能耗、更多功能集成方向迈出了重要一步。尽管目前器件的运行稳定性仍有待提高，但该研究指明的材料选择和界面工程策略，为未来进一步提升有机多功能器件的性能和稳定性指明了方向。