基于P3HT:IEICO-4F体系的三元体异质结宽光谱有机光电探测器的性能研究
发布时间：2021-07-31 18:28
近年来,有机光电探测器由于其具有优异的可柔性大面积制备、重量轻、可调的光谱响应、和较低的生产成本等优势而成为研究热点。关于有机光电探测器的研究主要集中在调节光谱响应带宽以实现窄带或宽带响应上。最近,紫外（UV）到可见（Vis）-红外（NIR）高灵敏度的宽光谱有机光电探测器因其在化学/生物传感、夜视、光通信等领域的巨大应用潜力而受到广泛关注,其中,三元体系是提高宽光谱有机光电探测器性能的一种简单有效的方式。基于此,本论文在新型的P3HT:IEICO-4F二元体系的宽光谱有机光电探测器中分别掺入富勒烯材料PC71BM和共轭聚合物材料PTB7作为第三种组分,通过调控掺杂材料在活性层中的比例来研究第三组份对器件性能的影响,具体研究内容如下:1.研究了掺杂富勒烯材料PC71BM对器件性能的影响。当PC71BM的掺杂比例为10 wt%时,所制备的P3HT:IEICO-4F:PC71BM三元宽光谱有机光电探测器性能最优,在805 nm处的探测率（D*）为1.35?1012 Jones,比二元...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
探测光谱的波长范围图[9]
电子科技大学硕士学位论文2泛研究[10]。随着一些现代先进技术的应用，例如：认证系统、自动驾车、虚拟现实以及人工智能等的快速发展，创造了对光电探测技术创新的不断增长的需求。图1-1探测光谱的波长范围图[9]1.2有机光电探测器的基本理论1.2.1有机光电探测器的工作机理有机光电探测器件包含有机光伏器件的全部优点，而且借助于有机太阳能电池的高速发展，使得在技术上与其相近的有机光探测器件也获得了快速发展。在性能上，常温环境下工作的稳定和可靠性、较高的光电流的密度、较低的暗电流密度、高的外量子效率、高的响应度和探测率，以及良好的线性工作范围是有机光电探测器一般需要满足的要求[11-13]。有机光电探测器的工作机理与太阳能电池近似，都属于光电转换器件。但也存在一些不同之处。一方面，有机光电探测器工作在反向偏置电压下，这是为了提高光生载流子在器件中的分离效率；另一方面，有机光电探测器的工作波长具有选择性，可以专门探测某个特定的波段，也可以在全光谱范围内工作[14]。除此之外，两种器件的基本器件结构和工作原理是相同的，具体工作机制包含四个步骤，如图1-2至1-5所示。（1）入射光吸收并产生光生激子。光入射到有机半导体材料上，当入射的光子能量大于能隙能量，电子受激发导致从给体材料的（HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO）能级跃迁到（LowestUnoccupiedMolecularOrbital,LUMO）能级上，并在HOMO能级上留下一个空穴，在库仑力的作用下，形成束缚的空穴-电子对，即光生激子。图1-2光生激子产生的能级示意图
第一章绪论3（2）光生激子的扩散。光生激子在给体材料中扩散至给体材料和受体材料的界面处。在扩散程中，部分的光生激子会由于荧光发射、热能耗散等不同的原因重新复合。图1-3光生激子扩散示意图（3）光生激子的分离。在给体材料和受体材料的界面处，没有复合的激子分离成单独的电子和空穴。为了在给受体界面处激子能更有效率地分离，激子的束缚能必须大于给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级之间的能级差。随后，自由电子被俘获到了受体材料的LUMO能级，而空穴则留在了给体材料的HOMO能级上。为了能产生更多的自由电荷，就要提高该过程的发生几率，这对于光电探测器来说尤其重要。因此，器件要工作在反偏电压下，这可以增加自由电荷的分离效率，从而提高光电流密度。图1-4激子解离示意图（4）光生载流子的传输和收集。在两个电极之间的电势差所产生的内建电场和外加电压的共同作用下，电子和空穴等自由载流子分别经过受体材料和给体材料输运到各自相对应的电极。在这一过程中，如果载流子被陷阱捕获或者发生复合，电荷的迁移率都会降低。对于光电流有贡献作用的，只有那些最终被电极收集到的载流子。综上所述，当光电探测器对于光的吸收能力不变的情况下，为了提高器件的性能，可以通过加强光生激子的解离效率，提高光生载流子的传输能力和增强载流子在电极上的收集效率等方法来实现。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency[J]. Zuo Xiao,Xue Jia,Liming Ding. Science Bulletin. 2017(23)
[2]All-solution-processed PIN architecture for ultra-sensitive and ultra-flexible organic thin film photodetectors[J]. Zhiwen Jin,Qing Zhou,Peng Mao,Hui Li,Jizheng Wang. Science China（Chemistry）. 2016(10)
[3]基于聚合物给体/有机小分子/富勒烯受体的三元共混有机太阳能电池[J]. 程沛,史钦钦,占肖卫. 化学学报. 2015(03)
本文编号：3313972
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
探测光谱的波长范围图[9]
电子科技大学硕士学位论文2泛研究[10]。随着一些现代先进技术的应用，例如：认证系统、自动驾车、虚拟现实以及人工智能等的快速发展，创造了对光电探测技术创新的不断增长的需求。图1-1探测光谱的波长范围图[9]1.2有机光电探测器的基本理论1.2.1有机光电探测器的工作机理有机光电探测器件包含有机光伏器件的全部优点，而且借助于有机太阳能电池的高速发展，使得在技术上与其相近的有机光探测器件也获得了快速发展。在性能上，常温环境下工作的稳定和可靠性、较高的光电流的密度、较低的暗电流密度、高的外量子效率、高的响应度和探测率，以及良好的线性工作范围是有机光电探测器一般需要满足的要求[11-13]。有机光电探测器的工作机理与太阳能电池近似，都属于光电转换器件。但也存在一些不同之处。一方面，有机光电探测器工作在反向偏置电压下，这是为了提高光生载流子在器件中的分离效率；另一方面，有机光电探测器的工作波长具有选择性，可以专门探测某个特定的波段，也可以在全光谱范围内工作[14]。除此之外，两种器件的基本器件结构和工作原理是相同的，具体工作机制包含四个步骤，如图1-2至1-5所示。（1）入射光吸收并产生光生激子。光入射到有机半导体材料上，当入射的光子能量大于能隙能量，电子受激发导致从给体材料的（HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO）能级跃迁到（LowestUnoccupiedMolecularOrbital,LUMO）能级上，并在HOMO能级上留下一个空穴，在库仑力的作用下，形成束缚的空穴-电子对，即光生激子。图1-2光生激子产生的能级示意图
第一章绪论3（2）光生激子的扩散。光生激子在给体材料中扩散至给体材料和受体材料的界面处。在扩散程中，部分的光生激子会由于荧光发射、热能耗散等不同的原因重新复合。图1-3光生激子扩散示意图（3）光生激子的分离。在给体材料和受体材料的界面处，没有复合的激子分离成单独的电子和空穴。为了在给受体界面处激子能更有效率地分离，激子的束缚能必须大于给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级之间的能级差。随后，自由电子被俘获到了受体材料的LUMO能级，而空穴则留在了给体材料的HOMO能级上。为了能产生更多的自由电荷，就要提高该过程的发生几率，这对于光电探测器来说尤其重要。因此，器件要工作在反偏电压下，这可以增加自由电荷的分离效率，从而提高光电流密度。图1-4激子解离示意图（4）光生载流子的传输和收集。在两个电极之间的电势差所产生的内建电场和外加电压的共同作用下，电子和空穴等自由载流子分别经过受体材料和给体材料输运到各自相对应的电极。在这一过程中，如果载流子被陷阱捕获或者发生复合，电荷的迁移率都会降低。对于光电流有贡献作用的，只有那些最终被电极收集到的载流子。综上所述，当光电探测器对于光的吸收能力不变的情况下，为了提高器件的性能，可以通过加强光生激子的解离效率，提高光生载流子的传输能力和增强载流子在电极上的收集效率等方法来实现。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency[J]. Zuo Xiao,Xue Jia,Liming Ding. Science Bulletin. 2017(23)
[2]All-solution-processed PIN architecture for ultra-sensitive and ultra-flexible organic thin film photodetectors[J]. Zhiwen Jin,Qing Zhou,Peng Mao,Hui Li,Jizheng Wang. Science China（Chemistry）. 2016(10)
[3]基于聚合物给体/有机小分子/富勒烯受体的三元共混有机太阳能电池[J]. 程沛,史钦钦,占肖卫. 化学学报. 2015(03)
本文编号：3313972
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