Advanced Functional Materials:调控能量传递实现高效稳定单发光层全荧光白光OLED

白光有机发光二极管(White organic light-emitting diodes, WOLEDs)因其健康、环保、柔性,面光源和光色可调等优点有望成为下一代固态照明光源。由于蓝光染料高效率和长寿命不能共存的问题,如何实现高效稳定的WOLED一直是制约白光照明进一步发展的关键。清华大学化学系段炼教授团队利用热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料作为主体材料,构建热活化敏化荧光(TADF-sensitizing fluorescence, TASF)体系,可实现高效稳定的全荧光器件,突破蓝光限制的瓶颈。但是采用TASF体系的白光器件性能依然较差,且大多采用多发光层,器件结构相对复杂。而单发光层器件普遍效率偏低而且光色难以调控。其原因在于单发光层结构中,一方面载流子在传统荧光染料(conventional fluorescent dopants,CFDs)分子上直接的复合以及从蓝光TADF分子T1能级向CFD分子T1能级之间不可避免的Dexter能量传递会造成激子损失,从而降低器件效率;另外一方面蓝光TADF分子到CFD分子的Förster能量传递速率高于TADF分子S1能级的辐射跃迁速率,最终导致光谱中蓝光成分过少,白光难以调控。因此,如何构建单发光层高效稳定TASF-WOLED限制了该技术在白光领域的应用。

近期,该团队基于Förster和Dexter能量传递速率与分子间距离依赖关系的不同,通过同时引入大位阻基团包覆的CFD分子和TADF主体分子来提高生色团分子之间的距离,在抑制Dexter能量传递,减小激子损失,提高器件效率的同时,调控Förster能量传递实现部分能量传递,从而获得充足的蓝光成分,实现了高效稳定的单发光层TASF-WOLED。该策略有效地保障了在较高的掺杂浓度下器件较高的效率和优异的白光发射,显著降低了器件的制造难度。优化器件实现了色坐标(0.33, 0.45)的白光发射,同时最大外量子效率达到19.6%,最大功率效率超过52 lm/W。此外,大位阻基团的包覆作用可显著抑制分子间的相互作用,白光器件的寿命也得到了改善。在1000 cd/m2亮度下器件的半衰期超过2300小时,比对比器件寿命提高5~8倍。

该工作揭示了单发光层TASF-WOLED器件在白光固态照明的潜力,为新一代高效稳定的白光器件设计提供了新方法、新思路。相关工作以论文“Modulation of Förster and Dexter Interactions in Single‐Emissive‐Layer All-Fluorescent WOLEDs for Improved Efficiency and Extended Lifetime”的形式发表在Advanced Functional Materials上。通讯作者为清华大学化学系的段炼教授与张东东助理研究员。