效率滚降的产生与有机半导体固有特性引起的一些复杂的非线性机制有关。通常而言，传统有机光电器件的电学特性是由纵向电场下的载流子动力学过程决定的。根据连续性方程，在稳态时，空穴传输区及电子传输区的电流始终处于平衡状态。然而有机传输材料的空穴和电子迁移率之间存在差异，器件中的电流平衡通常由载流子在器件内部的积累(调控电场强度分布)或穿越器件的漏电流来实现(图1A)。在OLED中，漏电流的存在不仅会产生严重的效率损耗，而且也会显著降低器件的工作寿命。目前报道的高性能OLED利用载流子阻挡层有效地解决了漏电流问题，但不可避免地带来载流子积累问题。器件内部的载流子积累会产生严重的激子-极化子湮灭(如triplet-polaron annihilation，TPA，图1B)，也将导致器件效率和工作寿命的下降。在材料科学家开发出具有匹配的电子和空穴迁移率的有机半导体材料之前，从器件物理层面探寻新的电流平衡机制，并从实验上进行验证，是该领域的科学和技术难题。
图1：新结构OLED及其横向扩散层的设计
图源：吉林大学谢文法教授团队与香港城市大学李振声教授团队
研究亮点
谢文法教授团队与李振声教授通过深入合作，提出并成功验证了一种新型载流子动力学机制(图1C和1D)，即利用多数载流子的横向扩散行为实现OLED中的电流平衡。基于该思路，研究团队通过组分及界面工程(图1E和1F)在有机半导体薄膜中实现了厘米尺度的空穴横向扩散行为，并将该薄膜作为横向扩散层构建了OLED(图1G)。借鉴电化学领域中的低频交流阻抗谱技术，研究团队在实验上验证了 PEDOT:PSS薄膜中载流子在横向方向的传输属于半无限扩散或有界扩散行为。
图2：PEDOT：PSS薄膜的低频交流阻抗谱
图源：吉林大学谢文法教授团队与香港城市大学李振声教授团队
图3：载流子横向扩散行为
图源：吉林大学谢文法教授团队与香港城市大学李振声教授团队
经过组分及界面工程优化后，PEDOT:PSS薄膜的横向扩散系数可以从＜1.8×10−5cm2/s 提升两个数量级至~3×10−3cm2/s。这种扩散能力的提升促进了有机薄膜中厘米尺度空穴横向扩散行为的产生，并有效地增强了器件在垂直于所施加纵向电场方向上的横向电流，为新型电流平衡机制的建立提供了基础。
进一步地，研究人员通过建立基于横向扩散层的OLED的等效电路模型(图3G-J)，结合器件的光电性能分析，在实验上验证了基于横向扩散电流的新型电流平衡机制，可以有效地解决OLED中所存在的载流子积累(图3C和3D)及其产生的激子-极化子湮灭问题。
总结与展望
该研究工作的结果表明，在采用新型电流平衡机制的OLED中，载流子积累问题可以得到有效解决，器件发光效率和工作寿命得到了大幅改善。该研究为有机光电器件的结构设计提供了一种全新思路，对推动有机半导体器件在照明领域的产业化发展具有重要意义。
作者：刘士浩(吉林大学电子科学与工程学院副教授、香港城市大学博士后)