白色有机发光二极管（White Organic Light-Emitting Diodes, WOLED）由于其高亮度、高对比度、低成本、节能护眼等诸多优点，成为了新一代固态照明光源的最佳选择。然而到目前为止，WOLED的大规模应用还面临着诸多问题。与同样具有100%激子利用效率的电致磷光材料相比，纯有机热激发延迟荧光（Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF）材料在环境友好、可持续性等方面具有突出优势。然而，大多数TADF分子都是具有分子内电荷转移（CT）激发态和高分子极性特征的给-受体（Donor-Acceptor, D-A）体系。这不仅导致了白色TADF体系分子间、组分间的猝灭严重，大大降低了器件效率；还由于体系中分子间和组分间的过度的电荷和能量转移，而无法将激子合理的分配给不同的颜色组分，从而导致白光色纯度下降。解决这两个问题目前通常采用的两种方法都有各自的劣势：一种是引入磷光客体材料，以实现高的器件效率和稳定的电致发光光谱，但不可避免的会引入磷光材料的成本高和环境污染等问题；另一种是采用多发光层的器件结构，从空间上将不同颜色的TADF客体材料分离，限制其间的直接相互作用，但多层器件会增加制造的复杂性和成本，降低可重复性，因此也会限制大规模制备。在其制备过程中，结构的复杂必然会导致器件稳定性、可重复性的降低，而严重的效率滚降，有限的白光色纯度以及不稳定的电致发光光谱都是阻碍WOLED商业化的关键因素。
针对上述难题，黑龙江大学许辉教授领导的磷基光电功能材料课题组从纯TADF白光体系出发，通过优化蓝光和黄光TADF材料之间的相互作用，抑制过度的能量传递过程，成功通过单掺杂单发光层的超简单结构实现了兼具高电致发光效率和稳定电致发光光谱的TADF WOLED。该器件采用器件外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）高达28.9%的蓝光TADF材料ptBCzPO2TPTZ为主体，掺杂高效黄光TADF染料4CzTPN-Bu，以形成基于单掺杂单发光层的三层器件结构。通过调节4CzTPN-Bu的掺杂浓度（x%），器件的发光颜色从冷白光（x% = 1.0%），可连续调节至纯白光（x% = 1.5%）和暖白光（x% = 2.0%）。三种白光器件均具有20%以上的最大EQE和极为稳定的电致发光光谱，因此，这一白光体系和器件结构可以满足室内外照明的多种用途。
ptBCzPO2TPTZ与4CzTPN-Bu之间的可控激子分配，主要通过以下三点得以实现：（1）所选择的TADF分子均含有叔丁基和二苯基膦氧等大位阻基团，可以有效抑制分子间的相互作用，从而避免碰撞导致的激子淬灭。这是实现单掺杂发光层的必要条件；（2）拉大蓝光和黄光TADF分子的 距离可以抑制短程Dexter能量传递（Dexter Energy Transfer, DET），以长程Förster共振能量传递（Förster Resonance Energy Transfer, FRET）作为主要的激子传输途径；（3）所选择的两种材料前线轨道能级不匹配，防止了黄光客体材料对激子，即电子和空穴对，的直接捕获。转而通过电荷转移（Charge Transfer）来实现三重态激子的分配。进一步抑制从蓝光材料到黄光材料过度的能量传递，确保白光的色纯度。基于ptBCzPO2TPTZ和4CzTPN-Bu的单掺杂、单发光层器件在掺杂浓度为1.5%时，器件的最大亮度达到37160 cd m-2，电流效率（Current Efficiency, CE）高达52.7 cd A-1，功率效率（Power Efficiency, PE）高达55.1 lm W-1，EQE高达23.6%。在亮度到达1000 cd m-2时，EQE仍然有20.7%，其滚降只有12%。国标节能灯中，中性白光的色坐标为（0.346，0.359）。而基于ptBCzPO2TPTZ:1.5% 4CzTPN-Bu中CIE坐标（0.34，0.36）的超纯白光器件的显色指数高达87，相关色温5152 K（日光5600 K）。同时，器件亮度从1000 cd m-2增至10000 cd m-2时，光谱色坐标保持不变。上述结果是白光TADF器件迄今为止所能够实现的最佳结果，可以与所有类型的WOLED最高值相媲美。尤其是，实现上述性能仅需通过基于单掺杂单发光层的三层器件结构，这无疑将切实推进WOLED实现大规模生产，并逐步应用于日常照明。
图1.（a）主客体间的能量传递过程；（b）电致发光器件结构；（c）不同掺杂浓度器件的CIE坐标及相片；（d）x%=1.5%时光谱的稳定性（7 V-11 V时光谱几乎不变）；（e）白光器件的电流密度-电压-亮度曲线；（f）白光器件的效率-亮度曲线。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是黑龙江大学的硕士研究生丁冬雪、王资程和李晨宇。
Highly Efficient and Color-Stable Thermally Activated Delayed Fluorescence White Light-Emitting Diodes Featured with Single-Doped Single Emissive Layers
Dongxue Ding, Zicheng Wang, Chenyu Li, Jing Zhang, Chunbo Duan, Ying Wei*, Hui Xu*
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201906950
https://www.x-mol.com/university/faculty/10076
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