CN1438714A - 薄膜光光上转换图象显示装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种薄膜光光上转换图象显示装置，本发明将Si基薄膜光电池及有机薄膜发光二极管(OLED)直接耦合构成一种新型光光转换装置。将光电传感器Si基薄膜光电池和以顶部为高透过率透明电极的顶发射OLED反向串接构成复合装置，由Si基薄膜光电池将输入光信号转换成的光生电流直接耦合到OLED发出另一波长的可见光，不同的Si基薄膜光电池可实现不同波段的光响应。本发明可用于光探测、寻像器、夜视、光图象转换的信息处理、光子学平行信号处理等领域。

Description

薄膜光光上转换图象显示装置及制备方法
所属技术领域
本发明涉及Si基薄膜光电池领域、有机电致发光领域及半导体光探测器领域，特别是一种薄膜光光上转换图象显示装置及制备方法。本发明是将Si基薄膜光电池及有机薄膜发光二极管(OLED)直接耦合构成一种新型光光转换装置。
背景技术
已有的Si基薄膜光电池是利用光生伏特效应把光能直接转换为电能的一种装置，可用等离子体化学气相沉积、热丝化学气相沉积和超高频等方法制备，具有原材料储量丰富、无毒、无污染、加工方法成熟等优点，并且部分已实现商品化(王晓晶、班群、沈辉，“硅太阳电池材料的研究进展”，能源工程，2002年04期)。有机薄膜发光二极管是利用某些有机半导体的电致发光特性制备的一种电—光转换薄膜装置，具有轻、薄、功耗小、成本低等特点，是一种发展中的显示方法，目前已达到实用化水平(初国强、王子君、刘星元，“有机电致发光现状和发展趋势”，光机电信息，2001年08期。)半导体光探测器是利用半导体的光电导和光生伏特等效应将输入光信号转化为电、光等信号的装置，广泛应用于光传输及自动控制等领域。现有的大多数半导体光探测器体积较大，响应波段较窄，且以电信号输出，不能进行光-光信号的转换。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜光光上转换图象显示装置及制备方法。本发明利用Si基薄膜光电池及有机薄膜发光二极管直接耦合形成一种新型的光光转换装置，本发明光谱响应范围宽，体积小，重量轻，成本低，功耗小，便于大面积连续自动化生产。本发明可用于光探测、寻像器、夜视、光图象转换的信息处理、光子学平行信号处理等领域。
本发明是将Si基薄膜光电池及有机薄膜发光二极管(OLED)直接耦合(通过电极反向串连连接)构成一种新型光光转换装置。反向偏置的光电池作为光敏元将输入光信号(其波长范围可扩展至红外波段)转化为光电流，光电流驱动正向偏置的OLED使其发射出另一所需波长的可见光，调整OLED的发光材料及其结构可得到不同波长的光输出。在光电池与OLED间加入光限制层以实现输入光信号的有效利用，提高装置的效率并减小输出光信号的躁声。根据计算机的模拟结果分析装置的输入输出特性和影响装置性能的主要因素，确定装置的材料和结构的优化参数以实现装置的优化设计。
本发明包括Si基薄膜光电池和有机薄膜发光二极管(OLED)构成，Si基薄膜光电池与有机薄膜发光二极管经由金属电极(金属铝、铝/氟化锂或镁银)直接相连。
所述的Si基薄膜光电池是PIN结构的光电池或NIP结构的光电池。
对于可见光波段的光转换，光电池为非晶Si基薄膜光电池；对于红外光波段的光转换，光电池为微晶Si基薄膜光电池；
所述的有机薄膜发光二极管的结构依Si基薄膜PIN光电池的P、I、N排序而定。如果Si基薄膜电池为玻璃/透明阳极/PIN/电极的结构，有机薄膜发光二极管的结构是，从底部到顶部的排列顺序为金属电极、发光层、载流子传输层和透明阳极，光由顶部的透明阳极射出。如果Si基薄膜电池为玻璃/透明阳极/NIP/电极排序，有机薄膜发光二极管的结构是，从底部到顶部的排列顺序为透明阳极、发光层、载流子传输层和透明阴极，光由顶部的透明阴极射出。
所述的有机薄膜发光二极管可分为单层装置、双层装置或多层装置。当Si基薄膜光电池的结构为玻璃/透明阳极/PIN/电极结构时，所述的单层装置是以氧化铟锡作为透明阳极，在透明阳极电极上沉积有机发光材料，然后在顶端通过真空蒸镀方法制备透明电极；所述的双层装置是指除了发光层以外，再引入一层载流子传输层来传输空穴或电子；所述的多层装置则是在发光层的两侧再增加空穴传输层和电子传输层。
所述的有机薄膜电致发光的材料是小分子电致发光材料(例如八羟基喹啉铝)或聚合物电致发光材料(例如可溶性聚对苯乙炔MEH-PPV(Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1，4-phenylenevinylene])(分子量为6000～10,000)。
所述的有机薄膜发光二极管的载流子传输层上有酞箐铜CuPc制成的薄膜保护层，防止溅射透明阳极时高温和轰击对有机薄膜的损伤。
所述的薄膜光光上转换装置，反向偏置的光电池作为光敏元将输入光信号(其波长范围可扩展至红外波段)转化为光电流，光电流驱动正向偏置的OLED使其发射出另一波长的可见光，调整OLED的发光材料及其结构可得到不同波长的光输出。
所述的薄膜光光上转换装置，在光电池与OLED间加入光限制层以实现输入光信号的有效利用，提高装置的效率并减小输出光信号的躁声。
本发明的具体制备方法包括下述步骤：
1)在有透明阳极的透明衬底上制备非晶Si或微晶Si薄膜光电池；其具体的制备步骤如下：
(1)P层：一般厚度是10nm，用气态硅烷(SiH4)射频等离子体增强化学气相沉积方法在有透明阳极的透明衬底上沉积P薄膜，掺杂气体为B2H6。
(2)I层：本征层的材料的性能的好坏直接影响着装置的质量。一般微晶和非晶材料的获得可以通过气态硅烷(SiH4)被氢(H2)稀释的比例的不同来获得，当然还跟其它的条件有关。对于非晶硅光电池，本发明采用射频等离子体增强化学气相沉积方法生长I层；对于微晶硅光电池，本发明采用超高频等离子体增强化学气相沉积方法或者用热丝法生长I层(HUIDONG YANG，CHUYA WU，YAOHUA MAI；INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS；Volume 16，Numbers 28&29November 20，2002)。
(3)N层：采用气态硅烷(SiH4)射频等离子体增强化学气相沉积方法生长此层，掺杂气体为PH3。
2)利用真空溅射的方法溅射ZnO光限制层(陶伯万、刘兴钊等，“倒筒式直流溅射法生长大尺寸双面YBCO高温超导薄膜”，硅酸盐学报，2002年02期)。
3)利用真空热蒸发的方法(赵俊卿、解士杰等，“真空蒸镀双层有机电致发光器件及其稳定性”，半导体学报，2001年02期)蒸镀Al阴极。
4)制备OLED的有机发光层和载流子传输层。对于不同的出射光波长的要求，本发明采用不同的电致发光材料及具体的制备工艺。
(1)对于小分子电致发光材料，用真空蒸镀方法蒸镀小分子电致发光材料作为发光层。为了防止溅射ITO阳极时高温和轰击对发光层有机薄膜的损伤，在溅射ITO前先在发光层有机薄膜上，在1.0×10-3Pa以上的高真空条件下蒸发一层酞箐铜有机物CuPc。CuPc的离化能为5.3ev，电子亲和势为3.6ev，这种有机物的性能非常稳定且耐热性好，能很好的保护有机薄膜。
(2)对于聚合物电致发光材料，由于其分子量很大，极难采用真空热蒸发的方法制备，因此用KW-4A型匀胶机制备聚合物发光层薄膜。然后在1.0×10-3Pa以上的高真空条件下蒸发一层酞箐铜有机物CuPc作为保护膜。
5)溅射ITO透明阳极。采用一种直流磁控溅射沉积方法生长顶部透明导电薄膜。这个工艺是比较重要的。如果ITO阻值过大，则OLED的启亮电压就较高，从而导致装置的整体电压阈值的升高，造成能耗的加大。这步工艺的关键是低温、低功率和合适的氧氩比。
本发明具有如下特点：1)体积小、重量轻；2)成本低，功耗小；3)便于大面积连续自动化生产；4)光谱响应范围宽。以非晶Si光电池作为光敏元时，可用于可见光波段的探测；以微晶Si光电池作为光敏元时，可用于红外光波段的探测。5)以可见光信号输出，调整有机薄膜发光二极管的发光材料及其结构可得到不同波长的光输出。
本发明可用于光探测、寻像器、夜视、光图象转换的信息处理与光子学平行信号处理等领域。
附图说明
图1：薄膜光光上转换图象显示装置的结构示意图。
图2：薄膜光光上转换图象显示装置的等效电路图。
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图所示，图1薄膜光光上转换图象显示装置的结构示意图。1玻璃透明衬底，2透明阳极，3Si基薄膜光电池，4金属接触电极(金属铝或铝/氟化锂或镁银)，5光限制层，6OLED发光层及载流子传输层，7透明电极。
3为非晶Si或微晶Si基薄膜光电池，是一种将太阳光能转换成电能的装置，由P层、I层和N层组成。对于非晶Si光电池来说，由于其材料的带隙和在短波方面的吸收系数比较大的优点，一般I层的厚度在500nm左右，所以本发明采用的是现在比较成熟的射频等离子体增强化学气相沉积方法沉积；对于微晶硅光电池，由于其带隙不是很大，为了吸收足够的太阳光，需要将其厚度做的厚一些，这样其高速沉积就很重要，本发明采用超高频等离子体增强化学气相沉积方法制备微晶I层。
5为光限制层。通过计算机模拟分析发现输入光信号只是部分地被装置所吸收利用，而其它部分(波长大于550nm的波段)则没有被完全吸收，因此光限制层的插入就十分重要。本发明中采用真空溅射的ZnO薄膜为光限制层，其厚度为850，它的作用为增大波长大于550nm波段输入光信号的反射率，实现输入光信号的有效利用，提高装置的效率，另一方面对输入光信号和输出光信号进行隔离以减小输出光信号的躁声。
6为有机薄膜发光二极管(OLED)的发光层及载流子传输层，OLED装置是利用某些有机半导体的电致发光特性制备的一种电—光转换薄膜装置，可分为单层装置、双层装置及多层装置。当Si基薄膜光电池的结构为玻璃/透明阳极/PIN/电极结构时，所述的单层装置是以氧化铟锡作为透明的阳极，在ITO电极上沉积有机发光材料，然后在顶端通过真空蒸镀方法制备透明电极(氧化铟锡透明导电薄膜或透明金属薄膜，如Al)；双层装置是指除了发光层以外，再引入一层载流子传输层来传输空穴或电子。多层装置则是在发光层的两侧再增加空穴传输层和电子传输层。
当Si基薄膜光电池的结构为玻璃/透明阳极/PIN/电极时，为了便于与其直接耦合本发明采用非常规的倒置型的有机薄膜发光二极管，即先在衬底上蒸镀铝阴极，再陆续沉积发光层及载流子传输层，最后利用直流磁控溅射方法制备ITO。这种倒置型结构不仅可使Si基薄膜PIN光电池处于反向饱和状态的同时使OLED处于正向偏置发光状态，而且使输出光信号可由顶部的透明阳极直接出射。
应用实施例1
1、在有透明阳极的透明玻璃衬底上制备微晶Si薄膜光电池；其具体的制备步骤如下：
(1)P层：用射频等离子体增强化学气相沉积方法在有透明阳极(SnO2)的透明衬底上沉积P薄膜，厚度10nm，衬底温度为200℃，气压为80Pa，气态硅烷(SiH4)被氢(H2)稀释的比例为0.67％。此层的掺杂气体采用的是B2H6。
(2)I层：对于微晶硅光电池，本发明采用超高频等离子体增强化学气相沉积方法生长I层，气压为90Pa，气态硅烷(SiH4)被氢(H2)稀释的比例为1％。
(3)N层：厚度为30nm，采用射频等离子体增强化学气相沉积方法生长此层，衬底温度为150℃，气压为100Pa，气态硅烷(SiH4)被氢(H2)稀释的比例为2％，掺杂气体为PH3。
2、利用真空溅射的方法溅射ZnO作为光限制层，其厚度为850。
3、利用真空热蒸发的方法蒸镀Al阴极，真空度为1.0×10-3Pa。
4、制备OLED的有机发光层和载流子传输层。采用MEH-PPV(Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1，4-phenylenevinylene])为发光材料。首先将MEH-PPV溶于电子纯的甲苯中配置0.5％(重量比)的MEH-PPV溶液5ml。由于MEH-PPV的分子大，分子链长，不易溶解，为了得到均匀的溶液需将其连续搅拌12个小时以上。甩胶时，将匀胶机转速调至2500～4000转/分钟，吸片后，将溶好的MEH-PPV溶液滴2～3滴在基片中央，启动匀胶机旋转50秒以得到均匀致密的MEH-PPV薄膜。
由于MEH-PPV属于具有空穴传输特性的发光材料，因此用真空蒸镀方法蒸镀八羟基喹啉铝作(Alq3)为电子传输层。值得注意的是此时Alq3不再作为发光层而是作为电子传输层，因此其厚度不能大于50nm，否则其发射光的存在会影响装置输出光的色度。本发明中这种作为电子传输层的Alq3的厚度为20nm。然后在1.0×10-3Pa的高真空条件下蒸发一层约30nm厚的酞箐铜CuPc作为保护膜；
5、采用直流磁控溅射方法生长顶部透明导电薄膜。本发明中溅射的条件为：气压1.1Pa；氧氩比1∶15；功率34W；温度40℃。制备的ITO的方块电阻约为20欧姆/方块。

Claims (10)

1、一种薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于它包括Si基薄膜光电池和一个有机薄膜发光二极管组成；Si基薄膜光电池与有机薄膜发光二极管经由金属电极直接相连。
2、根据权利要求1所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于所述的光电池为非晶Si基薄膜光电池或微晶Si基薄膜光电池。
3、根据权利要求1所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于所述的有机薄膜发光二极管的结构是：从底部到顶部的排列顺序为金属电极、发光层、载流子传输层和透明阳极，光由顶部的透明阳极射出；或
从底部到顶部的排列顺序为透明阳极、发光层、载流子传输层和透明阴极，光由顶部的透明阴极射出。
4、根据权利要求3所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于所述的有机薄膜发光二极管可分为单层装置、双层装置或多层装置。当Si基薄膜光电池的结构为玻璃/透明阳极/PIN/电极结构时，所述的单层装置是以氧化铟锡作为透明的阳极，在透明阳极电极上沉积有机发光材料，然后在顶端通过真空蒸镀方法制备透明电极；所述的双层装置是指除了发光层以外，再引入一层载流子传输层来传输空穴或电子；所述的多层装置则是在发光层的两侧再增加空穴传输层和电子传输层。
5、根据权利要求1所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于所述的有机电致发光的材料是电致发光小分子或电致发光聚合物。
6、根据权利要求4所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于所述的有机薄膜发光二极管的载流子传输层上有酞箐铜CuPc制成的薄膜保护层，防止溅射透明阳极时高温和轰击对有机薄膜的损伤。
7、权利要求1所述的薄膜光光上转换图象显示装置的制备方法，其特征在于它是经过下述步骤：将Si基薄膜光电池与有机薄膜发光二极管直接耦合构成光光转换装置；
1)在有透明阳极的透明衬底上制备非晶Si或微晶Si薄膜光电池；
2)利用真空溅射的方法溅射光限制层；
3)利用真空热蒸发的方法蒸镀金属阴极；
4)制备有机薄膜发光二极管的有机发光层和载流子传输层；
5)溅射透明电极；
8、根据权利要求7所述的薄膜光光上转换图象显示装置的制备方法，其特征在于所述的非晶Si或微晶Si薄膜光电池的制备方法为：
(1)P层：用超高频、射频等离子体增强化学气相沉积方法在有透明阳极的透
   明衬底上沉积P薄膜；
(2)I层：非晶硅光电池采用射频或超高频等离子体增强化学气相沉积方法生长
   此层；微晶硅光电池采用射频、超高频等离子体增强化学气相沉积方法或
   热丝化学气相沉积方法生长此层；
(3)N层：采用射频等离子体增强化学气相沉积方法生长此层。
9、根据权利要求7所述的薄膜光光上转换图象显示装置的制备方法，其特征在于所述的有机薄膜发光二极管的有机发光层和载流子传输层的制备方法为：
1)对于小分子电致发光材料，采用真空蒸镀方法蒸镀发光层，在溅射透明导电薄膜前先在发光层有机薄膜上，在1.0×10-3Pa的高真空条件下蒸发一层酞箐铜CuPc；
2)对于聚合物电致发光材料，采用匀胶机制备发光层，然后在1.0×10-3Pa的高真空条件下蒸发一层酞箐铜CuPc作为保护膜。
10、根据权利要求1所述的薄膜光光上转换图象显示装置，其特征在于在Si基薄膜光电池与有机薄膜发光二极管间可加入光限制层以实现输入光信号的有效利用。
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