非富勒烯有机光电探测器活性层及其界面调控

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科学技术的飞速发展推动可实现光/电转换功能的有机光电探测器(OPD)不断进步。OPD的核心是有机光敏材料,通常采用由电子给体和电子受体组成的混合体异质结(BHJ)结构。传统富勒烯电子受体因其分子结构限制,具有化学修饰困难、在红外波段吸收较弱等缺点,阻碍了其进一步发展。相比而言,非富勒烯材料由于其化学结构、带隙和吸收波段可调等优良特性,获得越来越多的关注。为提升非富勒烯OPD器件的性能,需提升其光电流,并抑制暗电流,通常采取的策略是界面层调控及活性层调控。本论文基于非富勒烯体系P3HT:ITIC-Th和PTB7-Th:TTD(DTC-2FIC)2制备了两种OPD,分别通过空穴传输层修饰调控以及活性层调控对器件性能进行优化。具体研究内容如下:基于非富勒烯体系P3HT:ITIC-Th,采用有机小分子N,N’-二苯基-N,N’-(1-萘基)-1,1’-联苯-4,4’-二胺(NPB)对无机空穴传输层MoO3修饰调控,有效提升了OPD器件性能。通过对NPB修饰层进行优化,确定厚度为20 nm,修饰层的加入提高了活性层表面的薄膜连续性及完整性,降低了探测器的等效并联电阻,提高了电子和空穴在两电极处的抽取和收集效率,在-0.1 V偏压下,器件在650 nm处的光电流密度提升了19%,响应度和外量子效率(725 nm)最大值为0.44 A/W和75%。此外,优化后器件的能级匹配更加合理,降低了外加偏压时载流子从电极的反向注入,在可见光波段内比探测率保持在1011 Jones以上。对非富勒烯体系活性层PTB7-Th:TTD(DTC-2FIC)2的结构与形貌优化调控,研制出可见-近红外宽波段响应的OPD器件。对器件活性层进行优化后,薄膜具有均匀分相、低粗糙度以及face-on的π-π堆积取向等特征,保证了活性层中载流子的传输效率,使得器件获得了较高的光响应和探测能力。在-0.5 V的偏压下,器件在500-1200 nm波段的比探测率达1011 Jones以上,响应时间和恢复时间分别为13μs和4.5μs,线性动态范围达103 d B。综上所述,通过对非富勒烯OPD空穴传输层修饰以及活性层调控,可有效提升器件的响应度和比探测率。上述方案为非富勒烯OPD的进一步优化提供了思路和方向,有助于推动OPD走向实际应用。
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