TWI572591B - 有機發光二極體及其太陽能電池載子傳輸層 - Google Patents
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Description
本發明係關於載子傳輸材料的相關領域，尤指一種以順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物；其中，此雙極型化合物可作為具有電洞阻擋功能之一種新穎電子傳輸材料，亦可作為一主體發光材料。
1987年，柯達公司的C.W.Tang與S.A.VanSlyke發表關於有機發光二極體(Organic Light Emitting Device,OLED)之創作，Tang與VanSlyke係利用真空蒸鍍之方式，分別將電洞傳輸材料與電子傳輸材料，例如Alq3，鍍覆於ITO玻璃之上，其後再蒸鍍一層金屬電極，如此，即完成具有自發光性、高亮度、高速反應、重量輕、厚度薄、低耗電、廣視角、可撓性、以及可全彩化之有機發光二極體(OLED)之製作。
目前所習用有機發光二極體，通常會在有機發光二極體的陽極與陰極之間進一步增設其它功效層，例如：電子傳輸層與電洞傳輸層，藉此方式增加有機發光二極體之電流效率或功率效率。例如第一圖所示之習知的有機發光二極體之結構，該有機發光二極體1’係至少包括：一陰極11’、一電子注入層13’、一發光層14’、一電洞傳輸層16’、以及一陽極18’。
有機發光二極體是利用電子與電洞再結合所產生的激子擴散到發光層而發光。根據理論推測，由電荷的再結合而引起的單重激發態與三重激發態的比例為1：3。因此，以小分子螢光材料作為發光材料時，能用於發光的比率僅為全部25%的能量，其餘75%的能量則在三重激發態經由非發光機制而損失掉，故一般螢光材料的內部量子效率的極限為25%。
研究發現，部分的電洞傳輸層16’係同時具有侷限電子的功能，例如具有如下化學式I’所示之電洞傳輸材料，其中，化學式A所表示的電洞傳輸材料為3,6-Bis(4-vinyl phenyl)-9-ethylcarbazole，中文名稱為3,6-
雙(4-乙烯基苯基)-9-乙基咔唑，在此簡稱VPEC並編號為GK60。
近年來，為了有效提升配合磷光發光二極體之效能，有機發光二極體之製造商與研究人員係同步致力於具有電洞阻擋特性之電子傳輸材料的開發。目前商業化的電子傳輸材料例如TmPyPb{英文全名：3,3'-[5'-[3-(3-Pyridinyl)phenyl][1,1'：3',1"-terphenyl]-3,3"-diyl]bispyridine；中文全名：3,3'-[5'-[3-(3-吡啶基)苯基][1,1'：3',1"-三聯苯]-3,3"-二基]二吡啶}、與TPBi{英文全名：1,3,5-Tris(1-phenyl-1H-benzimidazol-2-yl)benzene；中文全名：1,3,5-三(1-苯基-1H-苯並咪唑-2-基)苯}、3TPYMB[英文全名：Tris(2,4,6-triMethyl-3-(pyridin-3-yl)phenyl)borane；中文全名：3TPYMB]、BmPyPb[英文全名：1,3-bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene；中文全名：BmPyPb]、以及DPyPA[英文全名：9,10-bis(3-(pyridin-3-yl)phenyl)anthracene；中文全名：DPyPA]。
然而，即使目前已然發展出多種不同之具有電洞阻擋特性的電子傳輸材料，應用該些電子傳輸材料之磷光發光二極體仍無法展現出具有優勢的發光效率與生命週期，顯示現有的具有電洞阻擋特性的電子傳輸材料仍具有缺陷必須予以克服；有鑑於此，本案之發明人極力加以研究發明，終於研發完成本發明之一種以順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物；其中，此雙極型化合物可作為具有電洞阻擋功能之一種新穎電子傳輸材料，亦可作為一主體發光材料。
本發明之主要目的，在於提供一種以順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物，其係為包含一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)以及一芴系化合物(fluorene based compound)的一個順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，具有介於110℃至135℃之間的玻璃轉換溫度係、介於380℃至425℃之間的熱裂解溫度、可逆電子傳輸特性、以及絕佳的電荷載子平衡傳輸特性。並且，實驗結果亦證實，以本發明之新穎電子傳輸材料作為電子傳輸層(Electron Transport Layer,ETL)之有機發光二極體，其外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、最大亮度(Lmax)、與元件壽命皆明顯優於習用之有機發光二極體。此外，此順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物亦可應用於有機發光二極體之中以作為一主體發光材料。
因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種新穎電子傳輸材料，係為包含一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)以及一芴系化合物(fluorene based compound)的一順式個二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，且該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物同時具有一電洞阻擋功能，有些則更兼具發光層主體材料之功能。
根據上述本發明之新穎電子傳輸材料之一實施例，該二苯乙烯/芴螺旋體衍生物之化學結構係由下列化學式I所表示：
於前述之化學式I之中，R1-R2係選自於下列化學式I-1、化學式I-2、化學式I-3、化學式I-4、化學式I-5、與化學式I-6之任一者：
並且，於前述之化學式I之中，R3係選自於下列化學式I-7與化學式I-8之任一者：[化學式I-7]-H
根據上述本發明之新穎電子傳輸材料之一實施例，該新穎電子傳輸材料之化學結構係由下列化學式II、化學式III、化學式IV、化學式V、化學式VI、化學式VII、或化學式VII所表示：
於前述之化學式II至化學式VII之中，R為H或叔丁基(tert-butyl group)。
<本發明>
無。
<習知>
1’‧‧‧有機發光二極體
11’‧‧‧陰極
13’‧‧‧電子注入層
14’‧‧‧發光層
16’‧‧‧電洞傳輸層
18’‧‧‧陽極
第一圖係習知的一種有機發光二極體之結構圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種以順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
本發明之以順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物係由一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)以及一芴系化合物(fluorene based compound)所構成的一順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，且該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物同時具有一電洞阻擋功能。因此，本發明所提出之新穎材料主要應用於一有機發光二極體之中，以作為一電子傳輸層與/或一電洞阻擋層。同時，本發明之新穎電子傳輸材料亦可應用於一太陽能電池之中，以作為一載子傳輸層。
本發明之新穎電子傳輸材料，即順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，其化學結構係由下列化學式I所表示：
於前述之化學式I之中，R1-R2係選自於下列化學式I-1、化學式I-2、化學式I-3、化學式I-4、化學式I-5、與化學式I-6之任一者：
並且，於前述之化學式I之中，R3係選自於下列化學式I-7與化學式I-8之任一者[化學式I-7]-H
本發明之新穎電子傳輸材料之粗產物的製造步驟係如下所述：(1)以100mL的無水四氫呋喃溶解5.2mL的2-溴聯苯(30mM)；(2)將上述步驟(1)所得之產物靜置於-78℃的環境中；(3)將2.5M的四丁基鋰之己烷溶液(30mM,12mL)逐滴加入上述步驟(2)所得之產物中，反應30分鐘；(4)以60mL的無水四氫呋喃溶解7.28g的3,7-雙溴二卞環庚烯酮(20mM)；(5)將前述步驟(3)之產物逐滴加入前述步驟(4)所得之產物中；(6)使用10mL的飽和碳酸氫鈉前述步驟(5)所得之產物進行一淬息反應，之後抽乾四氫呋喃；(7)使用二氯甲烷對前述步驟(6)所得之產物進行萃取，以得一萃取液；(8)將5g的硫酸鎂加入該萃取液之中，接著依序乾燥與過濾該萃取液；以及(9)將前述步驟(8)所得之產物進行迴旋濃縮後，得到一中間產物。
繼續地，藉由以下步驟可進一步獲得該中間產物之一無色晶體：(10)以60mL的醋酸溶解該中間產物；(11)將1mL的濃鹽酸(12N)加入前述步驟(10)所得之產物中；(12)使用迴流裝置在120℃的環境中令前述步驟(11)所得之產物反應2小時；(13)將前述步驟(12)所得之產物冷卻至0℃；(14)將60mL的正己烷加入前述步驟(13)所得之產物中；(15)使用抽濾漏斗過濾前述步驟(14)所得之產物，以獲得一過濾沉澱物；(16)以正己烷清洗該過濾沉澱物3次，以獲得一固體物；以及(17)使用二氯甲烷/正己烷對該固體物進行再結晶，以獲得一無色晶體；其中，該無色晶體之化學結構係如下列化學式1所示。
藉由上述步驟(10)至步驟(17)獲得所述的無色晶體之後，便可藉由施予各種反應法於該無色晶體，以進一步獲得本發明之新穎電子傳輸材料的各種實施例；其中，該新穎電子傳輸材料(即，順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物)之實施例1至實施例7之化學結構係如下列化學式II至化學式VII所示：
[化學式VI]
於前述之化學式II至化學式VII之中，R為H或叔丁基(tert-butyl group)。並且，所獲得之實施例1至實施例6的新穎電子傳輸材料，其玻璃轉換溫度(Glass Transition Temperature,Tg)、分解溫度(Decomposition Temperature,Td)、吸收光譜峰值、以及光致發光光譜峰值係整理於下列表(一)之中。由表(一)，吾人可得知此新穎電子傳輸材料之玻璃轉換溫度係介於113℃至135℃之間，且該熱裂解溫度係介於384℃至420℃之間；這表示本發明之新穎電子傳輸材料具有優良的熱穩定性，並且在高電壓與高電流的操作下不易裂解或產生結晶態。
此外，利用循環伏安法(Cyclic Voltammetry,CY)可獲得實施例1至實施例5之新穎電子傳輸材料的氧化電位與還原電位；並且，由所測得之氧化電位與還原電位可進一步計算得到實施例1至實施例6之新穎電子傳輸材料的最高佔有分子軌道能階(high occupied molecular orbital energy level,EHOMO)與最低未佔有分子軌道能階(lowest unoccupied molecular orbital energy level,ELUMO)；其中，所獲得之實施例1至實施例6的EHOMO與ELUMO係整理於下列表(二)之中。由表(二)，吾人可得知此新穎電子傳輸材料之最高佔有分子軌道能階(EHOMO)係介於5.61eV與6.0eV之間，且最低未佔有分子軌道能階(ELUMO)係介於2.63eV與3.0eV之間。此新穎電子傳輸材料之一氧化電位係介於0.81V至1.07V之間，且該新穎電子傳輸材料之一還原電位係介於-1.65V至-2.27V之間。
接著，為了證實上述呈現之新穎電子傳輸材料的確可用以作為一有機發光二極體的電子傳輸層與/或電洞阻擋層，以下將設計多個實驗組與控制組之有機發光二極體元件，並量測、比較該些有機發光二極體元件之驅動電壓(Turn-on voltage,Von)、外部量子效率(External Quantum
Efficiency,ηext)、電流效率(Current Efficiency,ηc)、功率效率(Power Efficiency,ηp)、最大亮度(Maximum Luminance,Lmax)。其中，所述的多個實驗組與控制組之有機發光二極體元件係整理於下列表(三)之中。
於上述表(三)之中，習用的電洞阻擋材料為、BmPyPb[英文全名：1,3-bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene；中文全名：BmPyPb]、DPyPA[英文全名：9,10-bis(3-(pyridin-3-yl)phenyl)anthracene；中文全名：DPyPA]、TPBi{英文全名：1,3,5-Tris(1-phenyl-1H-benzimidazol-2-yl)benzene；中文全名：1,3,5-三(1-苯基-1H-苯並咪唑-2-基)苯}、Alq3{英文全名：tris(8-hydroxyquinoline)aluminium(iii)；中文全名：三(8-羥基喹啉)鋁}、以及ET01。其中，ET01之化學結構如下化學式2’所示：
當然，於上述表(三)之中，Alq3、TPBi、BmPyPb、與ET01等材料也同時被應用作為有機發光二極體之電子傳輸層。繼續地，完成前述(三)所列之有機發光二極體的量測之後，該些有機發光二極體元件之驅動電壓(Von)、外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、最大亮度(Lmax)係整理於下列表(四)之中。
由表(四)可以發現，相較於使用單一電洞傳輸層之控制組之有機發光二極體而言(即，控制組1A、1B、1C、與1D)，同樣使用單一電洞傳輸層之實驗組之有機發光二極體(即，實驗組1至3)係顯現出明顯優良的外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、與最大亮度(Lmax)。
此外，相較於使用複合電洞傳輸層(雙層)之控制組之有機發光二極體而言(即，控制組2與3)，使用單一電洞傳輸層之實驗組之有機發光二極體(即，實驗組1至3)或使用複合電洞傳輸層之實驗組(即，實驗組4)，同樣顯現出明顯優良的外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、與最大亮度(Lmax)。
另外，實驗亦同時進行綠色磷光有機發光二極體之壽命評估測試，其中，壽命評估測試的起始亮度為10000cd/m2。壽命評估測試之結果顯示實驗組1之綠色磷光有機發光二極體之半衰壽命(LT50)為14000小時；相對地，控制組1A與控制組3之綠色磷光有機發光二極體之半衰壽命(LT50)分別為1000小時以及20000小時。另外，若以TmPyPb取代控制組1A之綠色磷光有機發光二極體之中的BmPyPb，則對應的有機發光二極體之半衰壽命(LT50)也僅為210小時。
為了證實本發明之新穎電子傳輸材料PSP和PΦSΦP的確可用以作為一有機發光二極體的紅色磷光發光層主體材料，以下將設計一個實驗組與一個控制組之有機發光二極體元件，並量測、比較該些有機發光二極體元件之驅動電壓(Turn-on voltage,Von)、外部量子效率(External Quantum Efficiency,ηext)、電流效率(Current Efficiency,ηc)、功率效率(Power Efficiency,ηp)、最大亮度(Maximum Luminance,Lmax)。其中，所述的多個實驗組與控制組之有機發光二極體元件係整理於下列表(五)之中。
由表(五)之實驗資料可確定本案所提出的具電洞阻擋特性的電子儲輸層材料PSP和PΦSΦP亦適合作為紅色磷光材料主體材料；特別地，以ITO/PEDOT：PSS作為上電極、以NPB(20nm)/TCTA(5nm)作為電洞傳輸層、以10%Ir(piq)3(25nm)或10%OS1(25nm)作為發光材料、以PSP或PΦSΦP作為主體材料、以3TPYMB(50nm)作為電子傳輸層、且以LiF/Al作為下電極/基板之一有機發光二極體，其達到的效能規格為：Von=2.5V、EQE=12% @1000cd/m2、EQEmax=16%、放光效能=16.7cd/A @1000cd/m2、CEmax=22.2cd/A、功率效能=11.4lm/W @ 1000cd/m2、PEmax=23.3lm/、λmax=616nm、FWHM=76nm、CIE(x,y)=(0.63,0.36)。並且，放光和功率效能相對於以CBP為主體材料時，分別提升了48%和78%。其中，上述材料OS1與3TPYMB之化學結構係如下化學式3’與化學式4’所示。
完成前述表(五)所列之有機發光二極體的量測之後，該些有機發光二極體元件之驅動電壓(Von)、外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、最大亮度(Lmax)係整理於下列表(六)之中。
由表(六)可以發現，相較於使用CBP為發光層主體材料之控制組之有機發光二極體而言(即，控制組1)，使用PSP或PΦSΦP之實驗組之有機發光二極體(即，實驗組1)係顯現出明顯優良的外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、與最大亮度(Lmax)。
如此上述說明已經藉由多組有機發光二極體之元件架構及其相關實驗，驗證了本發明之新穎電子傳輸材料的確可應用為發光二極體之電子傳輸材料；並且，經由上述可以得知本發明之新穎電子傳輸材料具有以下主要之優點：本發明之所提供之具電洞阻擋特性之新穎電子傳輸材料係由一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)以及一芴系化合物(fluorene based compound)所構成的一順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，係具有介於110℃至135℃之間的玻璃轉換溫度係、介於380℃至425℃
之間的熱裂解溫度、可逆電子傳輸特性、以及絕佳的電荷載子平衡傳輸特性。並且，實驗結果亦證實，以本發明之新穎電子傳輸材料作為電子傳輸層(Electron Transport Layer,ETL)之有機發光二極體，有些則更兼具發光層主體材料之功能，其外部量子效率(ηext)、電流效率(ηc)、功率效率(ηp)、與最大亮度(Lmax)與元件壽命皆明顯優於習用之有機發光二極體。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
Claims (10)
- 一種有機發光二極體，包括一下電極、至少一有機層及一上電極依序設置於一基板上，該有機層包含順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物，係為包含一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)及一芴系化合物(fluorene based compound)的一個順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，其中該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物之化學結構係由下列化學式I所表示：
- 如申請專利範圍第1項所述之有機發光二極體，其中該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物之化學結構係由下列化學式II、化學式III、化學式IV、化學式V、化學式VI、或化學式VII所表示：
- 如申請專利範圍第1項所述之有機發光二極體，其中有機層係為電子傳輸層、電洞阻擋層、發光層、或電洞傳輸層。
- 如申請專利範圍第3項所述之有機發光二極體，其中電子傳輸層、電洞阻擋層、發光層或電洞傳輸層設置於下電極上。
- 如申請專利範圍第3項所述之有機發光二極體，其中電子傳輸層、電洞阻擋層及/或發光層包含該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物。
- 如申請專利範圍第5項所述之有機發光二極體，其中發光層包含該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物的雙極型化合物作為一主體發光材料。
- 如申請專利範圍第6項所述之有機發光二極體，其係應用作為紅色磷光有機發光二極體。
- 如申請專利範圍第5項所述之有機發光二極體，其中電子傳輸層及/或電洞阻擋層包含該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物的雙極型化合物，其係應用作為綠色磷光有機發光二極體或紅色磷光有機發光二極體。
- 如申請專利範圍第3項所述之有機發光二極體，其中電洞傳輸層係為複合電洞傳輸層。
- 一種太陽能電池的載子傳輸層，包含順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物，該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生的雙極型化合物包含一順式二苯乙烯系化合物(cis-Stilbene based compound)及一芴系化合物(fluorene based compound)的一個順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物，其中該順式二苯乙烯/芴螺旋體衍生物之化學結構係由下列化學式I所表示：
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| TW201625532A TW201625532A (zh) | 2016-07-16 |
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