基于三相体异质结有机光电倍增型探测器的研究光电倍增(photoelectronic multiplication,PM)对于检测弱光信号至关重要,在图像传感、视频监控、红外探测等应用中得到了广泛的发展。

目前将光电倍增结构应用于有机光电探测器(organic photodetectors,OPDs)已经成为进一步提高器件性能的新策略,但仍存在工作电压过高、制备工艺较复杂、材料选择受限等问题。

本文为解决以上问题,提出一种基于体异质结(bulk heteroj unction,BHJ)掺杂C60的倍增型OPDs,具体工作内容如下:(1)制备了三种体异质结掺杂小比例C60的倍增型器件,其中活性层分别为P3HT:PC61BM:C60、PBDT-TT-F:PC61BM:C60和P3HT:PBDT-TT-F:PC61BM:C60。

较系统地研究了器件发生光电倍增的工作原理。

结果表明,这些分散在活性层中的小比例C60可看作电子陷阱,具有俘获光
生电子的能力。

光照下活性层/阴极Al界面处载流子的积累将引起P3HT(或PBDT-TT-F)能带的弯曲,进而在反偏压下诱导空穴隧穿注入。

由于体异质结激子解离率高,从而使得器件在低电压下发生光电倍增成为可能。

对于P3HT:PC61BM:0.2 mg C60器件,-1 V偏压和波长为460 nm、光功率为0.21 mW·cm-2光照下外量子效率(external quantum efficiency,EQE)达到327.5%。

而PBDT-TT-F:PC61BM:0.2 mg C60器件仅表现出139%的EQE,从而表明了HOMO和LUMO能级更高的给体材料有利于提高光电倍增效率。

最后通过光谱互补策略,在P3HT:PC61BM:0.2 mg C60活性层中加入2 mg PBDT-TT-F,实现了器件对红绿蓝三基色的全吸收,不仅保持了对蓝绿光较好的响应(EQE分别为326.3%、153.9%),还显著增强了红光响应(EQE从42.4%提高到71.0%)。

(2)在PBDT-TT-F:PC61BM:C60倍增型器件中,通过改变PC61BM浓度,进而改变混合膜的空穴输运能力和激子解离率,引起阳极对空穴注入电流收集效率的变化,最终达到调控器件工作电压的要求。

结果表明:在接近的EQE(～600%)下,不仅可以选择工作在小偏压下(PC61BM浓度较高)的器件,还可以选择工作在大偏压下(PC61BM浓度较低)的器件。

优化后的PBDT-TT-F:PC61BM:C60(质量比为6:6:0.2)器件在-3 V偏压和蓝光光照下,EQE和响应度分别达到了672.3%和2.49 A·W-1。

本论文为实现工艺简单、高灵敏度、工作电压低且可调的倍增型OPDs提供了一种通用的设计方法。