宽光谱响应有机/钙钛矿复合光电探测材料与器件

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光电探测器是一类可以通过光电效应探测光信号并将其转化为电信号的器件,其中具有紫外-可见-近红外宽光谱响应的光电探测器,可应用在成像、光通信、环境监测以及化学/生物信息探测。铅基钙钛矿材料,具有高的载流子迁移率,有效的光吸收,理想的溶液制备过程,是制备下一代高性能光电探测器的理想的材料。然而铅基钙钛矿材料的主要响应范围在300-800nm的紫外-可见光范围。为制备宽光谱响应光电探测器,可以通过将窄带隙有机异质结与钙钛矿活性层复合的策略,制备有机异质结/钙钛矿复合器件。不仅可以有效地拓宽器件的光响应,同时可结合钙钛矿材料的优点,制备出宽光谱、高响应度、快速响应的光电探测器。我们首先选择了 PDPP3T(poly(diketopyrrolopyrrole-terthiophene)):PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)窄带隙有机异质结体系与甲胺碘化铅钙钛矿复合制备活性层。通过合并退火工艺引入PCBM,通过溶解、破坏再成膜过程制备钙钛矿/有机:富勒烯异质结复合薄膜。由于增加了钙钛矿与电子传输材料PCBM的接触面积,提升了钙钛矿薄膜的结晶质量,复合器件在近红外区域的EQE响应接近40%,可见光范围最高EQE响应达到60%。此外,复合器件相较与标准器件的暗电流更低,器件的探测率因此提升,基于暗电流主导的散粒噪声计算得到的探测率在宽光谱范围内超过1011 Jones。非富勒烯受体相较于PCBM,在近红外范围内具有更强的光吸收。为此我们选择了 PTB7-Th(poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b;4,5-b’]dit hiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylat e-2-6-diyl])和 IEICO-4F(2,2’-((2Z,2’Z)-(((4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9-dihy dro-sindaceno[1,2-b:5,6-b’]dithiophene-2,7-diyl)bis(4-((2-ethylhexyl)oxy)thiophene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-2,1-diyli dene))dimalononitrile)非富勒烯体系,与甲胺碘化铅钛矿作为复合活性层,制备了钙钛矿/有机:非富勒烯本体异质结复合光电探测器件。通过合并退火引入P CBM作为第二传输电子材料,调节PCBM在有机异质结层、钙钛矿层中的分布,以及调节有机异质结前驱体浓度,以优化有机异质结层的形貌。活性层中合适的能级匹配以及PCBM的合理分布,导致了光生电荷在钙钛矿与有机异质结之中有效的提取、传输。优化后的器件在300-1000 nm的绝大多数波长范围内实现了超过70%的EQE响应。可见光与近红外区域内最高的响应度分为别0.444 A W-1和0.518 A W-1,为已报导的可溶液加工的宽光谱光电探测器的最高值。器件在340-940 nm范围内基于噪声电流计算得到的探测率超过1010 Jones。
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