宽带和窄带有机光电倍增探测器研究进展

有机光电倍增探测器因具有可大面积加工、柔性、光谱响应范围可调、低成本和轻质等优点而备受关注,在智能监测、通信、生物医疗、图像传感器和荧光显微镜等领域具有潜在的应用价值。根据光谱响应范围,有机光电倍增探测器可分为宽带和窄带有机光电探测器。文章首先详细介绍了有机光电倍增探测器的结构、工作原理及关键性能参数,其次阐述了宽带和窄带有机光电倍增探测器的研究进展,最后对宽带和窄带有机光电倍增探测器未来的发展前景进行了展望。

基于分子间电荷转移效应的P3HT∶Y6基可近红外响应有机光电倍增探测器

通过在成本较低的活性层P3HT中引入少量在近红外波段有吸光能力的有机受体Y6制成倍增器件,Y6与P3HT发生分子间电荷转移,使得器件的响应波段拓展至1310 nm,在目前所报道的近红外倍增型有机光电探测器中具有明显优势。在空穴传输层与活性层之间引入原子级厚度的Al_(2)O_(3),极大降低了器件的暗电流,将器件由只能反向偏压响应改善到能够正反双向偏压响应。Al_(2)O_(3)修饰后器件在860 nm处的外量子效率为800%,比探测率为5.6×10^(11)Jones;1310 nm处器件的外量子效率为80.4%,比探测率为5.13×10^(10)Jones。

基于双给体三元体异质结的高性能倍增型有机光电探测器

为了拓展光谱响应范围至近红外,采用双给体单受体的三元体异质结策略,基于溶液法制备了以ITO/PEDOT∶PSS/活性层/Al为基本结构的倍增型有机光电探测器,活性层由P3HT∶PTB7-Th∶IEICO-4F(100-x∶x∶1,wt/wt/wt)组成,研究了不同质量比的PTB7-Th对器件光电特性的影响。优化后的三元倍增型有机光电探测器以P3HT∶PTB7-Th∶IEICO-4F(60∶40∶1,wt/wt/wt)为活性层,在-15 V偏压下,在450、520、655和850 nm处的外量子效率分别为2 666.40%、1 752.11%、1 894.26%和938.22%,响应度分别为965.80、733.35、998.68和641.91 A/W,比探测率均超过10^(13)Jones,在850 nm处的响应度与比探测率分别是相同条件下二元器件P3HT∶IEICO-4F(100∶1,wt/wt)的2.23倍和7.08倍。结果表明,在二元体系P3HT∶IEICO-4F中掺入适量的PTB7-Th,不仅能拓展光谱响应范围至近红外,还能改变活性层中激子解离界面、电子陷阱类型和空穴注入势垒高度,优化器件的电学性能。

PCE10显著提升三元倍增型有机光电探测器红光与近红外光探测能力

近红外光探测能力强的光电探测器更有利于检测人体心率,而且探测范围覆盖红光与近红外光的宽带响应光电探测器能用于检测血氧饱和度,因此提升宽带响应光电探测器的红光与近红外光探测能力具有重要意义。然而,经典的二元体异质结宽带响应倍增型有机光电探测器通常由于活性层中给体/受体比例差异较大,导致器件对红光与近红外光的响应能力较弱甚至没有响应。本文通过用少量给体材料PCE10替代活性层P3HT∶IEICO‐4F(100∶1)中部分P3HT的方法,制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCE10∶IEICO‐4F(90∶10∶1)/Al的体异质结三元倍增型有机光电探测器。-20 V偏压下,三元器件获得紫外到近红外(330~810 nm)响应较均匀的EQE光谱,并且器件在660 nm和810 nm处的EQEs(134000%和147000%)是相同条件下二元器件的78倍和106倍,相应的探测灵敏度(5.4×10^(13)Jones和7.27×10^(13)Jones)分别提升了26倍和36倍。三元器件的红光和近红外光探测能力得到显著提升,为制备用于人体心率与血氧饱和度检测的高性能光电探测器提供了策略。

基于双掺杂C60:DDQ陷阱的倍增型有机光电探测器

采用双掺杂方法,实现了具有高陷阱浓度的有机光电倍增探测器.在优化的单掺杂(活性层为P3HT:PC61BM:C60)器件基础上,保持C60的最优掺杂比例不变(1.0 wt%),同时掺杂C60和DDQ两种电子陷阱,研究不同DDQ掺杂浓度对P3HT:PC61BM活性层中陷阱浓度和探测器光电性能的影响.结果表明,双掺杂C60:DDQ活性层的最大掺杂浓度为1.5 wt%,与单掺杂C60活性层(最大掺杂浓度为1.0 wt%)相比提高了约1.5倍;双掺杂C60:DDQ器件的陷阱浓度为2.02×10^18 cm^-3,与单掺杂C60器件(陷阱浓度为5.83×10^17 cm^-3)相比提高了约3.5倍;在-2 V偏压下,双掺杂C60:DDQ器件的外量子效率高达2015.32%,比单掺杂C60器件(外量子效率为202.60%)提高了约10倍.采用双掺杂方法可以大大提高陷阱浓度,从而实现活性层的高浓度陷阱掺杂.

基于小分子半导体IEICO的高性能倍增型有机光电探测器

采用溶液法制备了结构为ITO/ZnO/P3HT∶IEICO/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO/Al的倍增型有机光电探测器,活性层中电子给体(P3HT)和电子受体(IEICO)的质量比为100∶1。以氧化锌(ZnO)为界面层的器件在正向与反向偏压下都能良好工作,而以PEDOT∶PSS为界面层的器件只能在反向偏压下工作。-15 V偏压下,与PEDOT∶PSS界面层器件相比,ZnO界面层器件的暗电流密度(2.2μA/cm^(2))降低4倍以上,1.5 mW/cm^(2)光照下的光电流密度(3.7 mA/cm^(2))提高3倍以上,外量子效率(External quantum efficiency,EQE)平均值(3262%)、响应度平均值(13.3 A/W)和探测灵敏度平均值(1.6×10^(13)Jones)分别提高4倍、4倍和11倍以上。这些结果表明,以ZnO为倍增型有机光电探测器的界面层,可以降低器件的暗电流密度并提高器件的EQEs,从而显著提高器件的光电性能。

高性能宽带倍增型四元有机光电探测器

采用溶液法制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/活性层/Al的四元倍增型有机光电探测器,器件本体异质结活性层由P3HT∶PTB7-Th∶IEICO∶PC71BM以90∶10∶0.5∶0.5的质量比共混组成。随着偏压增加,器件外量子效率(External quantum eciency,EQE)远超100%,并展现300~850 nm的宽光谱响应。在330 nm与780 nm处,器件可获得的最高EQEs和响应度分别为773000%和2057 A·W^(-1)以及311000%和1956 A·W^(-1),为有机光电探测器在紫外和近红外光区可获得的最高EQE和响应度之一。-25 V偏压下,与结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PTB7-Th∶IEICO(90∶10∶1)/Al的三元器件相比,四元器件的平均EQE(388167%)、响应度(1604 A·W^(-1))以及探测灵敏度(3.6×10^(13) Jones)分别提高了0.5倍、0.5倍和0.4倍,有效提升了器件对弱光的探测能力。上述结果提供了一种制备多元宽带倍增型有机光电探测器的有效策略,用以提高器件弱光探测能力,特别是提升了器件对紫外和近红外光的响应与探测能力。

基于非富勒烯受体IEICO-4F的倍增型有机光电探测器

以非富勒烯材料O-IDTBR和IEICO-4F为电子受体,采用溶液法制备结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶O-IDTBR/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO-4F/Al的2种倍增型有机光电探测器.IEICO-4F器件在波长400 nm和790 nm处的最高外量子效率(EQE)分别达7220%和1610%.在-15 V偏压下,IEICO-4F器件EQE大于100%的光谱响应范围(300~840 nm)比O-IDTBR器件(320~740 nm)宽120 nm.与-15 V偏压下的O-IDTBR器件相比,IEICO-4F器件在波长400、510、600、790 nm处的EQE(2630%、1220%、1900%、409%)分别提升1.7、1.2、0.5、24.5倍以上.此外,IEICO-4F器件在400、510、600、790 nm处的探测灵敏度(4.8×10^(12)、2.8×10^(12)、5.2×10^(12)、1.5×10^(12) cm·Hz^(1/2)·W^(-1))分别是O-IDTBR器件的3.2、2.5、1.8、30.6倍.结果表明:采用吸收与P3HT更互补(带隙更窄)的非富勒烯材料IEICO-4F为电子受体,有利于提升倍增型有机光电探测器的性能(特别是器件对近红外光的响应与探测能力),并拓宽器件的光谱响应范围.

倍增型有机光电探测器的研究进展

介绍了倍增型有机光电探测器的发展、工作机理、性能调控及相关的应用探索.2015年张福俊课题组以单载流子传输通道的给受体混合(质量比约为100:1)薄膜为有源层,率先报道了界面附近受陷电子诱导空穴隧穿注入的倍增型有机光电探测器,并抑制了器件的暗电流密度.通过优化有源层厚度调控了界面附近受陷电荷的体分布,制备出超窄响应的倍增型有机光电探测器,并提出载流子注入窄化的新概念.利用三元策略及双层策略,制备出了宽响应倍增型有机光电探测器.利用光子俘获层调控器件的响应范围,以及利用倍增层获得了较大的外量子效率,将二极管型与倍增型器件的优势集中在一个器件中.引入光学调控层或将宽带隙材料引入有源层中,调控界面附近受陷电子分布,优化了器件的光谱形状,进而制备出响应光谱宽且平的倍增型有机光电探测器.将制备的倍增型有机光电探测器应用到心率监测、单像素成像及光开关等领域,取得较好的应用成果.