可见-近红外宽光谱倍增型有机光电探测器的研究

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有机光电探测器具有制造成本低廉、材料带隙可调、机械柔性较好等优点。其中,外量子效率EQE超过100%的倍增型有机光电探测器越来越引起研究人员的兴趣。为了拓展器件的应用领域,需要拓宽响应光谱范围。本文在具有良好倍增性能的体系P3HT:PC71BM中加入非富勒烯受体材料Y6,制得了具有从可见光到近红外区域的宽响应光谱范围的倍增型有机光电探测器。利用小比例给体P3HT形成的体陷阱捕获光生空穴,窄化了肖特基势垒,从而引起电子隧穿注入到活性层中,实现倍增效应。该器件在正偏压和负偏压下均能实现倍增效应。本文首先探究了Y6比例对器件性能的影响。对于波长850 nm的近红外光,当Y6占受体比例80wt%时,器件获得了最大的EQE。与二元体系P3HT:PC71BM相比,加入了Y6的三元体系P3HT:PC71BM:Y6使得响应光谱范围从350 nm~750nm拓宽到350 nm~950 nm。与二元体系P3HT:Y6相比,三元体系P3HT:PC71BM:Y6的EQE在10 V偏压下从2%提升到了15691%,在-20 V偏压下从84%提升到了7639%。这是因为PC71BM与P3HT形成的深陷阱更有利于捕获空穴,而Y6的引入能带来适量的低注入势垒,从而使更多电子隧穿注入。本文从光暗电流特性、EQE、比探测率和瞬态光响应等多个方面进行了分析。器件的比探测率在10 V和-20 V偏压下分别达到了9.53×1012 Jones和3.89×1012 Jones,具有良好的探测性能。以ZnO作修饰层的器件的瞬态光响应曲线存在“起伏”和“尖峰”,需要选择合适的修饰层进行优化。探究了不同修饰层对器件光暗电流特性、EQE、比探测率、瞬态光响应、线性度和稳定性等性能的影响。以PFN、PDIN或PEIE-Zn作修饰层均会使EQE和比探测率有所降低。但PEIE-Zn具有比Zn O更光滑的薄膜表面,且器件具有较大的内建电场,可以忽略陷阱填充对内建电场的影响,因此消除了瞬态光响应曲线中存在的“起伏”和“尖峰”,提升了器件的稳定性。器件的暗电流密度的方差在10 V和-20 V偏压下分别仅为1.85×10-8 A~2·cm-4和4.61×10-9 A~2·cm-4。在光照2 s时间内,光电流密度在10 V和-20 V偏压下分别仅下降了2.34%和0.25%。在空气中暴露一周,光电流密度均维持在原光电流密度的98.94%以上。综上所述,本文通过非富勒烯受体Y6的引入得到三元活性层,并利用合适的修饰层改善器件的瞬态光响应曲线和稳定性,为制备高性能的宽光谱倍增型有机光电探测器提供了新的思路。
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