Breedband zichtbare organische fotodetectors bereiken >10¹² detectiviteit met niet-fullereen acceptor

Samenvatting

We demonstreren breedband zichtbare organische fotodetectors (OPD's) door een niet-fullereen acceptor, 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanon))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylfenyl)-dithieno[2,3-d:2,3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiofeen (ITIC), te introduceren in de bulk heterojunctie (BHJ) gebaseerd op een conventioneel systeem van poly(3-hexylthiofeen-2,5-diyl) (P3HT):[6,6]-fenyl C71-zuurbutyric acid methylester (PC₇₁BM). De resulterende OPD's vertonen een specifieke detectiviteit boven 10¹² Jones in het gehele zichtbare gebied van 380 nm tot 760 nm, met de hoogste detectiviteit van 2,67 × 10¹² Jones bij 710 nm. UV-Vis absorptiespectrum, stationaire fotoluminescentie, atoomkrachtmicroscopie en ruimtelading-gelimiteerde stromeigenschappen werden toegepast om de filmkenmerken van de verkregen OPD's te analyseren. Door het lange-golflengte absorptieband van ITIC is het spectrale fotodetectiebereik effectief verbreed, en zijn betere filmmorfologie, effectievere energieoverdracht en de verminderde elektronenmobiliteit in de actieve laag verantwoordelijk voor de uitstekende fotodetectiemogelijkheden. Het voorgestelde schema biedt een betrouwbare strategie voor het implementeren van hoogpresterende breedband zichtbare OPD's.

Inleiding

Zichtbaar licht, als deel van het elektromagnetisch spectrum dat direct door het menselijk gezichtsvermogen waargenomen kan worden (380-780 nm), speelt een belangrijke rol in het dagelijks leven en de industriële productie. Zichtbaar licht remote sensing is de meest gebruikte in luchtfotografische verkenning. Kleurenbeeldsensing is ook grotendeels gebaseerd op zichtbaar licht, etc. Als brug tussen het optische signaal en het elektrische signaal speelt de fotodetector een onmisbare rol in de bovengenoemde toepassingen, wat voortdurende aandacht veroorzaakt. Daarom is het onderzoek naar hoogpresterende zichtbare fotodetectors imperatief en van groot belang. Vergeleken met traditionele anorganische fotodetectors hebben organische fotodetectors (OPD's) enorme aandacht getrokken voor toepassingen in flexibele en draagbare elektronische toepassingen vanwege hun flexibiliteit, instelbare absorptie, licht gewicht, groot-gebied detectie en lage voorbereidingskosten. In recente jaren hebben OPD's hoewel sommige prestaties geboekt in aspecten als hoge externe kwantumefficiëntie, lage donkerstroomdichtheid en hoge detectiviteit, zijn er maar weinig onderzoeks pogingen om hoogpresterende breedband OPD's met volledige zichtbare fotodetectie te onderzoeken.

Efficiënte lichtopvang en breed absorptiebereik zijn van cruciaal belang in breedband OPD's. Daarom zijn veel donor- en acceptormaterialen met verschillende bandkloofs ontwikkeld en veel klassieke donor/acceptor heterojunctie systemen geconstrueerd in het verleden. Daarbij is poly(3-hexylthiofeen) (P3HT):fenyl-C71-zuurbutyric acid methylester (PC₇₁BM) bulk heterojunctie (BHJ) breed bestudeerd in organische fotovoltaïsche apparaten, vanwege de relatief hoge draagmobiliteit, stabiele prestaties, eenvoudige structuur, lage kosten en rijpe voorbereidingsproces. Niettemin, hoewel het spectrale respons van P3HT:PC₇₁BM 400-600 nm bedekt, is het niet breed genoeg voor volledige zichtbare fotodetectie, vanwege de afwezigheid van het lange-golf gebied. Het is daarom noodzakelijk om een effectieve methode te vinden om het spectrale responsbereik van het conventionele P3HT:PC₇₁BM systeem uit te breiden. Vergelijkbaar met organische zonnecellen (OSC's), is het introduceren van een derde materiaal in de actieve laag een van de meest efficiënte en eenvoudige methoden om breedband OPD's te realiseren met uitgebreid fotodetectiebereik en uitstekende prestaties. Bijvoorbeeld, Rauch et al. ontwikkelden de P3HT:PC₇₁BM BHJ waar PbS kwantumdots als het introductiecomponent, wat het detectiebereik van OPD's succesvol uitbreidde tot 1800 nm. Mario Caironi et al. ontwikkelden de T1:P3HT:PC₇₁BM OPD's met breedbandrespons van 360-680 nm door een middel-golflengte-absorptie elektrondonor T1 te introduceren.

Onlangs heeft een nieuwe klasse niet-fullereen elektronenacceptoren hoge absorptiecoëfficiënten en uitstekende elektrische eigenschappen getoond, wat wijdverspreide zorg in het onderzoek van fotovoltaïsche apparaten opleverde. Vergeleken met conventionele fullereen-derivaten acceptoren hebben niet-fullereen acceptoren gediversifieerde en sterke absorptie, wat ze betere opties maakt om in het traditionele systeem als derde component te introduceren. Bijvoorbeeld, Tan et al. ontwikkelden een ternaire acceptor-blending apparaat door 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanon))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylfenyl)-dithieno[2,3-d:2,3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiofeen (ITIC) in de PBDTBDD:PC₆₀BM blend te doperen om perfecte complementaire absorptie en hoge PCE van 10,36% te bereiken. Bovendien is het kenmerkende kenmerk van ITIC het lange-golf spectrale respons van 600-800 nm, vergeleken met de korte en middengolf respons inherent in traditionele fullereen-derivaten. Daarom kan ITIC geschikt zijn voor combinatie met P3HT:PC₇₁BM BHJ met respons van 400-600 nm, wat het fotodetectiebereik kan uitbreiden naar het lange-golf gebied om effectieve fotodetectie van het volledige zichtbare spectrum continu te realiseren.

Daarom wordt in dit werk ITIC voor het eerst geïntroduceerd in het conventionele P3HT:PC₇₁BM systeem om breedband OPD's te vormen. Vergeleken met de controle P3HT:PC₇₁BM OPD's bereikt het ternaire blendsysteem een breder spectraal respons. Bovendien, door de verhoudingen van ITIC en PC₇₁BM respectievelijk af te stellen, worden breedband OPD's verkregen die het volledige zichtbare band van 380 nm tot 760 nm bedekken, vergeleken met het oorspronkelijke fotodetectieband van 380-620 nm. Verder, door het bredere lichtopvanggebied, betere filmmorfologie, effectievere energieoverdracht en de lagere donkerstroom, vertoonden de geoptimaliseerde OPD's een hoge detectiviteit van 2,12 × 10¹² Jones en 2,67 × 10¹² Jones bij 560 nm en 710 nm respectievelijk.

Methoden

De moleculaire structuren van de actieve laag materialen gebruikt in dit werk worden getoond in Fig. 1a, en de breedband OPD's structuur van indium-tin-oxide (ITO)/poly(3,4-ethylenedioxythiofeen):polystyreen-sulfonaat (PEDOT:PSS) (45 nm)/P3HT:PC₇₁BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm) is afgebeeld in Fig. 1b. De energieniveaus van de actieve laag materialen in breedband OPD's worden getoond in Fig. 1c. De laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO) en de hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) niveaus van P3HT, ITIC en PC₇₁BM volgen een normatieve kaskade-uitlijning, wat de potentiële efficiënte ladingstransportroute onder hen aangeeft. Bphen wordt gebruikt als bufferlaag om de ladingstransportcapaciteit te verbeteren en de kwelling van foto-excitons aan de interface tussen de actieve laag en de kathode te verminderen. Anders is de HOMO van Bphen hoger dan de actieve materialen, wat kan worden gebruikt als gat-blokkerende laag om de donkerstroom onder omgekeerde bias te verminderen.

Voordat de OPD's fabricage begon, werden ITO-substraten achtereenvolgens gereinigd in een ultrasoonbad voor elk 10 min met water-detergent oplossing, aceton oplosmiddel, gedemineraliseerd water en IPA oplosmiddel respectievelijk. Na drogen in de oven, werden deze ITO-substraten behandeld met zuurstofplasma voor 20 min. Vervolgens werd PEDOT:PSS gespinkoat bij 3000 rpm gedurende 60 s op ITO-substraten. Na thermische annealing bij 150°C gedurende 20 min, werden de substraten verplaatst naar een hoge-zuiverheid handschoenenkast (O₂, H₂O < 1 ppm). P3HT, PC₇₁BM en ITIC werden opgelost in chlorobenzene met verschillende massaverhoudingen. De totale concentratie van deze materialen was vastgelegd op 30 mg ml⁻¹, en de blend massaverhouding van donor (P3HT) en acceptoren (PC₇₁BM, ITIC) was vastgelegd op 1:1. Actieve laag oplossingen werden gespinkoat op de PEDOT:PSS laag bij 2000 rpm gedurende 60 s. Vervolgens werden de blendfilms geanneald bij 120°C gedurende 10 min. Gevolgd door de depositie van Ag als anode met een depositiesnelheid van 5 Å S⁻¹. De actieve oppervlakte van deze OPD's was 0,02 cm².

Apparaatkarakterisatie

De ultraviolet-zichtbare (UV-Vis) absorptie werd gemeten met een Shimazu UV1700 UV-Vis spectroscopiesysteem. De stationaire fotoluminescentie (PL) werd gemeten met een Hitachi F-7000 PL spectroscopie. Oppervlaktemorfologieën van actieve lagen werden gekarakteriseerd door atoomkrachtmicroscoop (AFM, AFM 5500, Agilent, Tapping Mode, Chengdu, China). Een lichtbron werd gebruikt als een AM 1.5 G zonsimulator met een verlichtingsvermogen van 100 mW cm⁻². De stroomdichtheid-spanning (J-V) curves van OPD's in het donker en onder verlichting werden gemeten met een Keithley 4200 programmeerbare spanning-stroom bron. De EQE-spectra werden verkregen onder een xenonlamp licht door een monochromator. Alle parameters werden bij kamertemperatuur (T = 300 K) gemeten.

Resultaten en Discussie

Karakterisatie van Actieve Lagen

De absorptiespectra van zuivere P3HT, PC₇₁BM en ITIC films worden getoond in Fig. 2a. PC₇₁BM kan de korte golflengte van 350 nm tot 550 nm absorberen. P3HT kan licht in de middengolflengte van 450 nm tot 600 nm benutten. En de niet-fullereen elektronenacceptor, ITIC, kan de absorptie van 600 nm tot 800 nm realiseren. Duidelijk bereiken deze drie actieve laag materialen een gunstige complementariteit in het volledige zichtbare spectrum. Dus hebben de blendfilms het superieure potentieel om volledige zichtbare fotodetectie te realiseren. Bovendien worden de absorptiespectra van de actieve lagen (P3HT:PC₇₁BM:ITIC) met verschillende verhoudingen afgebeeld in Fig. 2b. P3HT:PC₇₁BM films tonen gunstige lichtabsorptiecapaciteit van 400 nm tot 600 nm, maar er is bijna geen absorptie in het lange-golf gebied na 600 nm. Na introductie van ITIC, wordt een nieuw absorptiepiek gegenereerd van 600 nm tot 750 nm door de bijdrage van ITIC. Met de geleidelijke toename van de incorporatie van ITIC, neemt de absorptiecapaciteit van de blendfilms in de lange golflengte geleidelijk toe, wat gunstig is om het lange-golf detectiespectrum van het P3HT:PC₇₁BM controlesysteem te verbreeden. Verder kan de absorptie-intensiteit bij korte en lange golflengtes effectief afgestemd worden door de verhoudingen van PC₇₁BM en ITIC te variëren. In het bijzonder wordt gebalanceerde absorptie-intensiteit bereikt wanneer de massaverhouding van de actieve laag 1:0,5:0,5 is, wat duidelijk gunstig is om de fotodetectie van OPD's in korte en lange golflengtes gelijktijdig te evenwichtigen en de breedband OPD's met volledige zichtbare fotodetectie te realiseren.

Om de invloed van de introductie van ITIC op de energieoverdracht in actieve lagen te onderzoeken, werden stationaire fotoluminescentie (PL) tests uitgevoerd. Zoals getoond in Fig. 3a, wanneer geëxciteerd door 500 nm licht, vertonen de zuivere P3HT en ITIC films PL-pieken bij 640 nm en 760 nm respectievelijk. Vergeleken met zuivere P3HT film, is de PL-intensiteit van P3HT sterk gekweld in P3HT:ITIC film, wat het bestaan van een energieoverdracht tussen P3HT en ITIC aangeeft. Op dezelfde manier wordt de PL-emissie van P3HT sterk gekweld door doping met PC₇₁BM in de P3HT:PC₇₁BM film, wat analoge efficiënte energieoverdracht tussen P3HT en PC₇₁BM aangeeft. Bovendien, bij introductie van ITIC in de P3HT:PC₇₁BM blendfilm, is de PL-intensiteit bijna volledig gekweld, en de PL-curve van de ternaire blendfilm ligt onder alle andere curves. Dit betekent dat zowel ITIC als PC₇₁BM de energie in ternaire films coördinaat kunnen overdragen. Geconcludeerd wordt dat de energieoverdrachtsefficiëntie van ternaire films beter is dan die van binaire films. Gecombineerd met het feit dat de eerste een bredere lichtabsorptierange heeft dan de laatste om meer fotonen te vangen die bijdragen aan de fotostroom, geeft dit aan dat P3HT:PC₇₁BM:ITIC OPD's in theorie een hogere fotostroom kunnen hebben dan P3HT:PC₇₁BM OPD's.

Om de invloed van ladingstransporteigenschappen door de introductie van ITIC te onderzoeken, werd het ruimtelading-gelimiteerde stroom (SCLC) model toegepast voor mobiliteitskwantificering. Elektronen-enkele apparaten werden geproduceerd met de structuur van ITO/ZnO (30 nm)/P3HT:PC₇₁BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm). De SCLC wordt beschreven door de Mott-Gurney vergelijking: J = (9/8)εε₀μV²/d³. Waar ε₀ de vacuümpermittiviteit is, ε de relatieve permittiviteit van de organische materialen, μ de ladingstragermobiliteit, V de toegepaste spanning, en d de dikte van de actieve lagen. J-V kenmerken in donkere conditie voor de elektronen-enkele apparaten met verschillende actieve lagen worden getoond in Fig. 3b. Volgens Verg. (1) zijn de elektronenmobiliteiten van apparaten met verschillende verhoudingen 1,48 × 10⁻³, 8,92 × 10⁻⁴, 7,89 × 10⁻⁴, 4,75 × 10⁻⁴ en 4,43 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ respectievelijk. Met de toename van de proportie van ITIC, daalt de elektronenmobiliteit van het apparaat aanzienlijk aangezien de elektronenmobiliteit van ITIC lager is dan PC₇₁BM, wat de donkerstroom van de OPD's kan doen dalen na de introductie van ITIC.

Voor OPD's heeft de oppervlaktemorfologie van de actieve laag grote invloed op ladingstransport en excitondissociatie. Een actieve laag met gunstige oppervlaktemorfologie kan ladingrecombinatie remmen en de fotostroom verbeteren. Daarom worden de oppervlaktemorfologieën van actieve lagen met verschillende verhoudingen onderzocht door atoomkrachtmicroscopie (AFM), die afgebeeld zijn in Fig. 4. Volgens de hoogte-afbeelding is het oppervlak van de P3HT:PC₇₁BM:ITIC (1:1:0) film een beetje ruw en de root-mean-square (RMS) ruwheid is ongeveer 0,932 nm. Vanuit de fase-afbeelding kunnen we zien dat de rangschikking van moleculen niet volledig uniform en ordelijk is. Na doping van een deel ITIC aan de blend (1:0,7:0,3, 1:0,5:0,5, 1:0,3:0,7), verandert de oppervlaktemorfologie van de actieve laag aanzienlijk en daalt de RMS-ruwheid tot 0,690 nm, 0,634 nm en 0,701 nm respectievelijk. De variatie van RMS kan toegeschreven worden aan de veranderde aggregatiestoestand, zoals te zien is uit fasediagrammen. Vergeleken met de P3HT:PC₇₁BM binaire film, vertonen de ITIC-gedopte blendfilms een gladder oppervlak en meer geordende moleculaire rangschikking. Echter, wanneer de verhouding van de blend 1:0:1 wordt, stijgt de RMS-ruwheid tot 1,386 nm en is de filmmorfologie niet voldoende glad veroorzaakt door korrelvormige ongewenste moleculaire aggregatie, wat kan leiden tot toename van ladingrecombinatie en lage fotostroom. Volgens de AFM-karakterisatieresultaten hebben de ternaire blendfilms betere morfologische kenmerken dan binaire films, wat te danken is aan de geordende rangschikking van moleculen van de twee acceptoren, wat de moleculaire aggregatie in de ternaire films vermindert.

Volgens de absorptiespectra van actieve lagen, zou het lange-golf absorptieband van geïntroduceerde ITIC in staat moeten zijn om het lange-golf fotodetectiebereik van OPD's effectief te verbreeden. Bovendien verandert de introductie van ITIC ook de elektrische eigenschappen en oppervlaktemorfologie van actieve lagen. Vanuit het perspectief van SCLC, verlaagt de introductie van ITIC de elektronenmobiliteit van de actieve laag, wat duidelijk de ladingstransportcapaciteit van de apparaten zou verminderen. Dit zou hetzelfde nadelige effect hebben op donkerstroom en fotostroom. Echter, de introductie van ITIC stelt de actieve laag ook in staat om meer fotonen van lange golflengte te vangen die bijdragen aan de fotostroom, wat het nadelige effect van lage elektronenmobiliteit op fotostroom onder lichtconditie overwint. Betere filmmorfologie en effectievere energieoverdracht in de ternaire actieve laag zijn ook gunstig voor de uitstekende fotostroom. Conclusie: donkerstroom zal dalen met de toevoeging van ITIC, terwijl fotostroom regelmatig zal veranderen onder de invloed van verschillende factoren. Het is daarom noodzakelijk om OPD's te produceren geconstrueerd door actieve lagen met verschillende verhoudingen om de hoge fotostroom en lage donkerstroom te bepalen, in order uitstekende fotodetectieprestaties te bereiken.

Prestaties van OPD's

Figuur 5 toont elektrische prestatieparameters van OPD's met verschillende verhoudingen van actieve lagen. De J-V curves van OPD's onder licht- en donkercondities worden gepresenteerd in Fig. 5a. Zoals getoond, hebben de OPD's met verschillende massaverhoudingen van actieve laag aanzienlijk verschillende fotostroom en donkerstroom. Concreet, als de P3HT:PC₇₁BM:ITIC verhouding verandert van 1:1:0 naar 1:0,5:0,5, blijft de fotostroom stijgen, wat veroorzaakt wordt door uitgebreid lichtopvangbereik, efficiënte energieoverdracht en betere filmmorfologie in ternaire blends. Integendeel, als de P3HT:PC₇₁BM:ITIC verhouding verandert van 1:0,5:0,5 naar 1:0:1, daalt de fotostroom voortdurend. Echter, de donkerstroom blijft dalen naarmate de ITIC-verhouding toeneemt, wat te danken is aan verminderde elektronenmobiliteit en ongunstige ladingstransport door overmatige toevoeging van ITIC. De veranderende trend van fotostroom en donkerstroom is consistent met de verandering van filmeigenschappen door de verandering van ternaire verhoudingen van actieve lagen. De aan/uit verhoudingskenmerken van OPD's worden onderzocht in Fig. 5b. De 1:0,5:0,5 OPD's tonen de hoogste aan/uit verhoudingen in de omgekeerde bias regio dan de andere OPD's, wat een veel betere schakeleigenschap demonstreert, wat te danken is aan de hoogste fotostroom en lagere donkerstroom.

Daarnaast, om ervoor te zorgen dat de OPD's een stabiele en herstelbare responscapaciteit hebben, wordt de stroomdichtheid als functie van de tijd getoond in Fig. 5c voor de breedband OPD's met verschillende verhoudingen. De cyclische stroomsignalen werden opgenomen bij de aan/uit modulatie van de lichtverlichting. Elke cyclus is 20 s met een blootstellingstijd van 10 s en de totale duur is 120 s. De resultaten tonen aan dat de stroom van elke OPD aanzienlijk toeneemt onder verlichting en terugkeert naar het oorspronkelijke niveau nadat het licht is uitgezet. Het is duidelijk dat deze OPD's stabiele en herhaalbare respons/herstelkenmerken hebben, wat wenselijk is voor praktische toepassingen.

Om de invloed van de ITIC-verhouding op recombinatie van OPD's in lichtconditie verder te onderzoeken, wordt J_SC als functie van lichtintensiteit geplot. In het algemeen kan een machtswet-afhankelijkheid tussen J_SC en I worden uitgedrukt als J_SC ∝ I^α. Wanneer α zich 1 naderd, is bimoleculaire recombinatie relatief zwak. Zoals getoond in Fig. 5d, hebben de OPD's met de verhouding van 1:1:0, 1:0,7:0,3 en 1:0,5:0,5 vergelijkbare α-waarden, die 0,817, 0,797 en 0,803 zijn respectievelijk. Dit betekent dat deze drie OPD's een vergelijkbaar niveau van bimoleculaire recombinatie hebben. Echter, door de introductie van ITIC, worden meer lange-golf fotonen geabsorbeerd in ternaire actieve lagen, zodat de fotostroom van de OPD's met matige doping ITIC groter is dan die van de P3HT:PC₇₁BM OPD's. Bij verdere wijziging van de ternaire verhoudingen naar 1:0,3:0,7 en 1:0:1, dalen de α-waarden tot 0,713 en 0,680 respectievelijk. Dit geeft aan dat de grote hoeveelheid ITIC-doping de recombinatie verergeren en de fotostroom aanzienlijk verlaagt.

Om de spectrale respons-kenmerken van de OPD's te beschrijven, worden de EQE-curves van de OPD's met verschillende P3HT:PC₇₁BM:ITIC verhoudingen getoond in Fig. 6a. En enkele parameters van spectrale detectieprestaties bij specifieke golflengtes zijn vermeld in Tabel 1. Het apparaat gebaseerd op binaire P3HT:PC₇₁BM film toont een vlakke EQE-piek die de ranges 400-600 nm bedekt, toegeschreven aan de absorptie van P3HT en PC₇₁BM. Na introductie van niet-fullereen, ITIC, in P3HT:PC₇₁BM, strekt de EQE-curve van de breedband OPD's uit tot 760 nm, en wordt een nieuw spectraal piek gegenereerd van 650 nm tot 750 nm. Verder kan de relatieve responsintensiteit van de verschillende spectrale ranges afgestemd worden door de massaverhoudingen van P3HT, PC₇₁BM en ITIC te veranderen. Uit de EQE-curves blijkt de synergie tussen de donor en acceptoren bij optimale massaverhouding, 1:0,5:0,5, de EQE van de gehele golflengte te balanceren. De brede en plate EQE-curve toont intuitief aan dat de breedband OPD's gedoopt met ITIC het continue optische responsbereik effectief uitbreiden naar het lange-golf bereik, het hele zichtbare spectrum van 380-760 nm bedekkend.

Responsiviteit (R) beschrijft de conversiecapaciteit van fotonen naar ladingstriggers van OPD's, wat gebruikt wordt om het lichtresponsvermogen te bepalen. R wordt berekend als Verg. (2): R(λ) = EQE(λ)q/hv. Waar EQE de externe kwantumefficiëntie is, q de elektronenlading, λ de golflengte van invalslicht, h de Planck-constante, en v de frequentie van licht. Volgens Verg. (2) is de trend van R afhankelijk van EQE en λ wanneer de andere parameters constant zijn. De berekende resultaten van R-waarden worden getoond in Fig. 6b en Tabel 1. Vergelijkbaar met de EQE-curves, verkrijgen 1:0,5:0,5 gebaseerde OPD's hogere R dan andere OPD's in zowel lange golflengte als korte golflengte bereik. De R-waarden van geoptimaliseerde breedband OPD's bereikten 0,21 A W⁻¹ en 0,25 A W⁻¹ bij 560 nm en 710 nm respectievelijk. De brede R-curve geeft aan dat de breedband OPD's gedoopt met geschikte hoeveelheid ITIC het invalslicht van het volledige zichtbare spectrum gelijkmatig kunnen absorberen en efficiënt omzetten in fotostroom.

Als de meest cruciale prestatieparameter van OPD's, wordt de D* gebruikt om de gevoeligheid van OPD's te bepalen. De D* van OPD's kan worden gedefinieerd als Verg. (3): D*(λ) = R(λ) / (2qJ_d)¹/². De berekende resultaten van D* worden getoond in Fig. 6c. Voor de controle OPD's gebaseerd op P3HT:PC₇₁BM, overschrijdt de detectiviteit 1,0 × 10¹² Jones van 380 nm tot 600 nm en bereikt 1,67 × 10¹² Jones bij 560 nm. Ter vergelijking, OPD's gedoopt met ITIC hebben het effectieve fotodetectiebereik uitgebreid tot het volledige zichtbare spectrum van 380-760 nm. Specifiek bereikte de detectiviteit van verkregen OPD's met verhouding 1:0,5:0,5 2,12 × 10¹² Jones en 2,67 × 10¹² Jones bij 560 nm en 710 nm respectievelijk. Aan de ene kant is het fotodetectiebereik van OPD's verbreed door de toevoeging van ITIC. Aan de andere kant is de detectiviteit van geoptimaliseerde OPD's in het volledige zichtbare spectrum hoger dan die van andere OPD's, wat veroorzaakt wordt door hoge fotostroom en lage donkerstroom bij de optimale verhouding van de actieve laag.

Conclusies

Samenvattend, de hoogpresterende OPD's met volledige zichtbare licht fotodetectie zijn geproduceerd door een niet-fullereen acceptor van ITIC te introduceren in het P3HT:PC₇₁BM controlesysteem. De drie materialen vormen het complementaire spectrum, wat samen effectief een breedband fotodetector realiseert die het gehele zichtbare spectrum bedekt. Bovendien vertonen de OPD's met geschikte verhouding van P3HT:PC₇₁BM:ITIC een betere foton-opvangcapaciteit, lagere donkerstroom, effectievere energieoverdracht en gunstigere filmmorfologie om de detectiviteit te verbeteren. Opvallend is dat onze benadering beknopt, hoog reproduceerbaar en schaalbaar is. Ons werk wijst erop dat het kiezen van geschikte niet-fullereen elektronenacceptor en binaire systeem om de actieve laag van complementaire lichtabsorptiespectrum te construeren een effectieve methode is om hoogpresterende breedband OPD's te bereiken, wat in de toekomst wijdverspreid toepasbaar zal zijn.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restrictie.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

BHJ:

Bulk heterojunctie

Bphen:

Bathofenantroline

D*:

Detectiviteit

EQE::

Externe kwantumefficiëntie

HOMO:

Hoogst bezette moleculaire orbitaal

ITIC:

3,9-Bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanon))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylfenyl)-dithieno[2,3-d:2,3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiofeen

ITO:

Indium-tin-oxide

J_d:

Donkerstroomdichtheid

J-V:

Stroomdichtheid-spanning

LUMO:

Laagst onbezette moleculaire orbitaal

OPDs:

Organische fotodetectors

OSCs:

Organische zonnecellen

P3HT:

Poly(3-hexylthiofeen-2,5-diyl)

PC₇₁BM:

[6,6]-Fenyl C71-zuurbutyric acid methylester

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylenedioxythiofeen):polystyreen-sulfonaat

PL:

Stationaire fotoluminescentie

RMS:

Root mean square

UV-Vis:

Ultraviolet-zichtbare spectroscopie