基于陷阱掺杂的三元有机光电倍增探测器性能的研究

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有机光电倍增探测器因其高外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)成为人们的研究热点。陷阱掺杂是实现有机光电探测器电流倍增的一种重要方法,但其目前还存在着陷阱掺杂浓度低的问题。为解决上述问题,论文采用在三元体异质结P3HT:PTB7:PC61BM活性层体系中掺杂两种电子陷阱的双掺杂方法。论文首先研究了单掺杂C70陷阱的有机光电倍增探测器。实验表明:掺杂2.5wt%C70的器件性能最优。-2V偏压下和λ=460nm、Pin=0.21mW·cm-2光照下单掺杂器件的EQE为421.33%。然后为了增加陷阱掺杂浓度,在保持C70最优掺杂浓度不变的情况下,研究了掺杂C70:C60、C70:DDQ、C70:F4-TCNQ三种双掺杂有机光电倍增探测器。实验表明,三种双掺杂器件的最优陷阱掺杂浓度分别为4.0wt%、4.0wt%、3.0wt%,是单掺杂器件的约1.6倍、约1.6倍、约1.2倍,其载流子浓度从单掺杂器件的4.38×1017cm-3分别增加到1.10×l018cm-3、1.23×1018cm-3、1.07× 1018cm-3,表明采用双掺杂方法,提高了陷阱浓度,增加了电极的空穴隧穿注入,提高了光电流密度,获得高的倍增效应。因此,通过双掺杂方法可改善掺杂剂的聚集现象,提高掺杂浓度和掺杂效率,获得高浓度陷阱掺杂的活性层。三种双掺杂器件的EQE分别为1691.65%、4221.26%、1117.56%,是单掺杂器件的约4.66倍、约10.02倍、约2.65倍。对比分析表明:由于DDQ分子中的强吸电子基团氰基(-CN)以及强电负性卤素原子(氯原子),使之具有较低的LUMO能级,有利于电子的俘获,因此C70:DDQ显示出良好的陷阱掺杂作用。而对于F4-TCNQ虽然具有更低LUMO能级,但是其分子结构中更多的氰基(-CN)和卤素原子(氟原子),促进了 P3HT、PTB7对F4-T CNQ的结晶,促使F4-TCNQ的团聚,影响了其分散性,降低了掺杂效率,从而削弱了空穴从A1阴极的注入效应。综上所述:采用双掺杂方法可有效提高活性层的陷阱掺杂浓度,从而提高器件外量子效率,改善光电倍增。论文为实现有机活性层的高浓度陷阱掺杂提供了新思路。
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