Hochleistungsfähige organische Photodetektoren durch Einführung eines Nicht-Fulleren-Akzeptors zur Erweiterung des langwelligen Detektivspektrums

Einführung

Sichtbares Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums, das vom menschlichen Auge direkt wahrgenommen werden kann (380–780 nm), spielt eine wichtige Rolle im täglichen Leben und in der industriellen Produktion [1]. Die Fernerkundung mit sichtbarem Licht ist die am häufigsten verwendete fotografische Luftaufklärung. Die Farbbilderkennung basiert ebenfalls hauptsächlich auf sichtbarem Licht usw. [2]. Als Brücke zwischen dem optischen Signal und dem elektrischen Signal spielt der Photodetektor in den oben genannten Anwendungen eine unersetzliche Rolle und erregt daher eine umfassende und kontinuierliche Aufmerksamkeit [3]. Daher ist die Erforschung von Hochleistungs-Photodetektoren im sichtbaren Bereich zwingend und von großer Bedeutung. Im Vergleich zu herkömmlichen anorganischen Photodetektoren haben organische Photodetektoren (OPDs) aufgrund ihrer Flexibilität, einstellbaren Absorption, ihres geringen Gewichts, der großflächigen Detektion und der geringen Herstellungskosten enorme Aufmerksamkeit für Anwendungen in flexiblen und tragbaren elektronischen Anwendungen auf sich gezogen [4]. Obwohl OPDs in den letzten Jahren einige Errungenschaften in Bezug auf Aspekte wie hohe externe Quanteneffizienz [5], niedrige Dunkelstromdichte [6] und hohe Detektivität [7] erreicht haben, gibt es nur wenige Forschungsanstrengungen, um Hochleistungsbreitband zu untersuchen OPDs mit vollständiger sichtbarer Photodetektion bis jetzt.

Das effiziente Lichtsammeln und der breite Absorptionsbereich sind bei Breitband-OPDs von entscheidender Bedeutung. Daher wurden in der Vergangenheit viele Donor- und Akzeptormaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken entwickelt und viele klassische Donor/Akzeptor-Heterojunction-Systeme konstruiert [8]. Darunter Poly(3-hexylthiophen) (P3HT):phenyl-C71-buttersäuremethylester (PC₇₁ BM) Bulk-Heterojunction (BHJ) wurde aufgrund seiner relativ hohen Trägermobilität, seiner stabilen Leistung, seiner einfachen Struktur, seiner geringen Kosten und seines ausgereiften Herstellungsprozesses in organischen photovoltaischen Geräten umfassend untersucht [9, 10]. Obwohl die spektrale Empfindlichkeit von P3HT:PC₇₁ BM deckt 400–600 nm ab und ist wegen des Fehlens des langwelligen Bereichs nicht breit genug, um eine vollständige Photodetektion im sichtbaren Bereich zu ermöglichen. Daher ist es notwendig, eine effektive Methode zu finden, um den spektralen Ansprechbereich von P3HT:PC₇₁ . zu erweitern BM konventionelles System. Ähnlich wie bei organischen Solarzellen (OSCs) [11, 13,7% durch die Integration der Vorteile der Materialien und zweier binärer Zellen. Energy Environ Sci 11:2134–2141" href="/articles/10.1186/s11671-019-3033-8#ref-CR12" id="ref-link-section-d292454161e695">12], ein drittes Material in die aktive Schicht ist eine der effizientesten und einfachsten Methoden, um Breitband-OPDs mit erweitertem Photodetektionsbereich und hervorragender Leistung zu erfüllen [13]. Rauch et al. entwickelten beispielsweise den P3HT:PC₇₁ BM BHJ mit PbS-Quantenpunkten als einführender Komponente, die den Erfassungsbereich von OPDs erfolgreich auf 1800 nm erweitert [14]. Mario Caironiet al. entwickelte den T1:P3HT:PC₇₁ BM-OPDs mit Breitbandantwort von 360–680 nm durch Einführung eines Elektronendonors mit mittlerer Wellenlänge T1 [15].

Kürzlich hat eine neue Klasse von Nicht-Fulleren-Elektronenakzeptoren hohe Absorptionskoeffizienten und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften gezeigt, was bei der Erforschung photovoltaischer Geräte zu weit verbreiteten Bedenken geführt hat [16, 17]. Im Vergleich zu herkömmlichen Fulleren-Derivat-Akzeptoren weisen Nicht-Fulleren-Akzeptoren eine diversifizierte und starke Absorption auf, so dass sie die bessere Option sind, um als dritte Komponente in das traditionelle System eingeführt zu werden [18]. Tan et al. entwickelten eine ternäre Akzeptor-Mischvorrichtung durch Dotieren von 3,9-Bis(2-methylen-(3-(1,1dicyanomethylen)-indanon))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2, 3d:2,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophen (ITIC) in der PBDTBDD:PC₆₀ BM-Mischung, um eine perfekte komplementäre Absorption und einen hohen PCE von 10,36 % zu erreichen [19]. Darüber hinaus ist das charakteristische Merkmal von ITIC die langwellige Spektralempfindlichkeit von 600–800 nm, verglichen mit der kurz- und mittelwelligen Reaktion, die traditionellen Fulleren-Derivaten eigen ist. Daher kann ITIC für die Kombination mit P3HT:PC₇₁ . geeignet sein BM BHJ mit einer Reaktion von 400–600 nm, die den Photodetektionsbereich auf den langwelligen Bereich erweitern kann, um die effektive Photodetektion des gesamten sichtbaren Spektrums kontinuierlich zu realisieren.

Daher wird in dieser Arbeit ITIC zuerst in P3HT:PC₇₁ . eingeführt BM konventionelles System zur Bildung von Breitband-OPDs. Verglichen mit der Kontrolle P3HT:PC₇₁ BM OPDs, das ternäre Blendensystem, erreicht eine breitere spektrale Empfindlichkeit. Durch die Abstimmung der Verhältnisse von ITIC und PC₇₁ BM bzw. werden die Breitband-OPDs erhalten, die das gesamte sichtbare Band von 380 nm bis 760 nm abdecken, verglichen mit der ursprünglichen Photodetektionsbande von 380–620 nm. Darüber hinaus wiesen die optimierenden OPDs aufgrund des breiteren Lichtsammelbereichs, der besseren Filmmorphologie, der effektiveren Energieübertragung und des niedrigeren Dunkelstroms eine hohe Detektivität von 2,12 × 10 ¹² . auf Jones und 2,67 × 10 ¹² Jones bei 560 nm bzw. 710 nm.

Methoden

Die molekularen Strukturen der in dieser Arbeit verwendeten Aktivschichtmaterialien sind in Abb. 1a dargestellt, und die Breitband-OPDs-Struktur von Indiumzinnoxid (ITO)/Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) (45 nm .) )/P3HT:PC₇₁ BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm) ist in Abb. 1b dargestellt. Die Energieniveaus von Aktivschichtmaterialien in Breitband-OPDs sind in Abb. 1c gezeigt. Das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) und das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) von P3HT, ITIC und PC₇₁ BM folgen einer normativen Kaskadenausrichtung, die den potentiell effizienten Ladungstransportweg zwischen ihnen anzeigt. Bphen wird als Pufferschicht verwendet, um die Fähigkeit zum Ladungsträgertransport zu verbessern und das Quenchen von Photoexzitonen an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht und der Kathode zu reduzieren [20]. Ansonsten ist das HOMO von Bphen höher als bei aktiven Materialien, die als Lochblockierungsschicht verwendet werden können, um den Dunkelstrom unter Sperrspannung zu reduzieren.

a Chemische Strukturen aktiver Schichtmaterialien. b Gerätestruktur von OPDs. c Energieniveaudiagramm von OPDs

Vor Beginn der OPDs-Herstellung wurden ITO-Substrate nacheinander alle 10 min im Ultraschallbad mit Wasser-Detergens-Lösung, Aceton-Lösungsmittel, entionisiertem Wasser bzw. IPA-Lösungsmittel gereinigt [21]. Nach dem Trocknen im Ofen wurden diese ITO-Substrate 20 min mit Sauerstoffplasma behandelt. Dann wurde PEDOT:PSS bei 3000 U/min 60 s lang auf ITO-Substrate schleuderbeschichtet. Nach dem thermischen Tempern bei 150 °C für 20 min wurden die Substrate in eine hochreine Glovebox (O₂ , H₂ O < 1 ppm). P3HT, PC₇₁ BM und ITIC wurden in Chlorbenzol mit unterschiedlichen Massenverhältnissen gelöst. Die Gesamtkonzentration dieser Materialien wurde auf 30 mg ml ^–1 . festgelegt , und das Mischungsmassenverhältnis von Donor (P3HT) und Akzeptoren (PC₇₁ BM, ITIC) wurde auf 1:1 festgelegt. Aktivschichtlösungen wurden auf die Oberseite der PEDOT:PSS-Schicht bei 2000 U/min für 60 s schleudergegossen. Anschließend wurden die Blendfilme 10 min bei 120 °C getempert. Gefolgt von der Abscheidung von Ag als Anode mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 5 Å S ⁻¹ . Die aktive Fläche dieser OPDs betrug 0,02 cm ² . .

Gerätecharakterisierung

Die UV-Vis-Absorption (UV-Vis) wurde unter Verwendung eines Shimazu UV1700 UV-Vis-Spektroskopiesystems gemessen. Die stationäre Photolumineszenz (PL) wurde unter Verwendung einer Hitachi F-7000 PL-Spektroskopie gemessen. Oberflächenmorphologien aktiver Schichten wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM, AFM 5500, Agilent, Tapping Mode, Chengdu, China) charakterisiert. Als Sonnensimulator AM 1,5 G wurde eine Lichtquelle mit einer Beleuchtungsleistung von 100 mW cm ⁻² . verwendet . Die Stromdichte-Spannung (J-V )-Kurven von OPDs im Dunkeln und unter Beleuchtung wurden mit einer programmierbaren Spannungs-Strom-Quelle Keithley 4200 gemessen. Die EQE-Spektren wurden unter einem durch einen Monochromator fallenden Licht einer Xenonlampe erhalten. Alle Parameter wurden bei Raumtemperatur gemessen (T = 300 k).

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung aktiver Ebenen

Die Absorptionsspektren von reinem P3HT, PC₇₁ BM- und ITIC-Filme sind in Fig. 2a gezeigt. PC₇₁ BM kann die kurze Wellenlänge von 350 nm bis 550 nm absorbieren. P3HT kann Licht im mittleren Wellenlängenbereich von 450 nm bis 600 nm nutzen. Und der Nicht-Fulleren-Elektronenakzeptor ITIC kann die Absorption von 600 nm bis 800 nm realisieren. Offensichtlich erreichen diese drei Aktivschichtmaterialien eine günstige Komplementärfunktion im vollen sichtbaren Spektrum. Somit haben die Mischfilme das überragende Potenzial, eine vollständig sichtbare Photodetektion zu realisieren. Darüber hinaus sind die Absorptionsspektren der aktiven Schichten (P3HT:PC₇₁ BM:ITIC) mit unterschiedlichen Verhältnissen sind in Abb. 2b dargestellt. P3HT:PC₇₁ BM-Filme zeigen ein günstiges Lichtabsorptionsvermögen von 400 nm bis 600 nm, jedoch gibt es im langwelligen Bereich nach 600 nm fast keine Absorption. Nach Einführung von ITIC wird aufgrund des Beitrags von ITIC ein neuer Absorptionspeak von 600 nm bis 750 nm erzeugt. Mit der allmählichen Zunahme des Einbaus von ITIC nimmt die Absorptionskapazität der Mischungsfilme im langen Wellenlängenbereich allmählich zu, was zur Erweiterung des langwelligen Detektivspektrums von P3HT:PC₇₁ . von Vorteil ist BM-Steuerungssystem. Darüber hinaus kann die Absorptionsintensität bei kurzen und langen Wellenlängen durch Variieren der Verhältnisse von PC₇₁ . effektiv abgestimmt werden BM und ITIC. Insbesondere wird eine ausgewogene Absorptionsintensität erreicht, wenn das Massenverhältnis der aktiven Schicht 1:0,5:0,5 beträgt, was offensichtlich vorteilhaft ist, um die Photodetektion von OPDs bei kurzen und langen Wellenlängen gleichzeitig auszugleichen und die Breitband-OPDs mit vollständiger sichtbarer Photodetektion zu realisieren.

a Absorption von reinem P3HT, PC₇₁ BM- und ITIC-Filme. b Absorptionsspektren aktiver Schichten mit unterschiedlichen Verhältnissen

Um den Einfluss der Einführung von ITIC auf den Energietransfer in aktiven Schichten zu untersuchen, wurden stationäre Photolumineszenz(PL)-Tests durchgeführt. Wie in Fig. 3a gezeigt, zeigen die reinen P3HT- und ITIC-Filme bei Anregung mit Licht von 500 nm PL-Peaks bei 640 nm bzw. 760 nm. Im Vergleich zu reinem P3HT-Film ist die PL-Intensität von P3HT im P3HT:ITIC-Film stark gequencht, was auf die Existenz eines Energietransfers zwischen P3HT und ITIC hinweist [22]. In ähnlicher Weise wird die PL-Emission von P3HT durch Dotieren mit PC₇₁ . stark gelöscht BM im P3HT:PC₇₁ BM-Film, der einen analog effizienten Energietransfer zwischen P3HT und PC anzeigt₇₁ BM. Bei der Einführung von ITIC in den P3HT:PC₇₁ BM-Mischfilm, die PL-Intensität wird fast vollständig gelöscht, und die PL-Kurve des ternären Mischfilms liegt unter allen anderen Kurven. Das bedeutet, dass sowohl ITIC als auch PC₇₁ BM kann die Energie in ternären Filmen koordiniert übertragen. Daraus wird geschlossen, dass die Energieübertragungseffizienz von ternären Filmen besser ist als die von binären Filmen. Zusammen mit der Tatsache, dass erstere einen breiteren Lichtabsorptionsbereich als letztere hat, um mehr Photonen einzufangen, die zum Photostrom beitragen, deutet dies auf P3HT:PC₇₁ . hin BM:ITIC OPDs haben möglicherweise einen höheren Photostrom als P3HT:PC₇₁ BM OPDs in der Theorie.

a PL-Spektren von Filmen unter 500 nm Lichtanregung. b J-V Eigenschaften von Nur-Elektronen-Geräten

Um den Einfluss von Ladungsträgertransporteigenschaften durch die Einführung von ITIC zu untersuchen, wurde das Space-Charge-Limited Current (SCLC)-Modell zur Mobilitätsquantifizierung verwendet. Die Nur-Elektronen-Bauelemente wurden mit der Struktur von ITO/ZnO (30 nm)/P3HT:PC₇₁ . hergestellt BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm). Der SCLC wird durch die Mott-Gurney-Gleichung [23] beschrieben:

wo ε ₀ ist die Vakuumpermittivität, ε ist die relative Permittivität der organischen Materialien, μ ist die Ladungsträgermobilität, V die angelegte Spannung ist und d ist die Dicke der aktiven Schichten. J-V Charakteristiken im Dunkelzustand für die Nur-Elektronen-Vorrichtungen mit unterschiedlichen aktiven Schichten sind in Fig. 3b gezeigt. Nach Gl. (1), die Elektronenmobilität von Geräten mit unterschiedlichen Verhältnissen beträgt 1,48 × 10 ⁻³ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 8,92 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 7,89 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 4,75 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , und 4,43 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , bzw. Mit der Zunahme des ITIC-Anteils nimmt die Elektronenmobilität des Geräts erheblich ab, da die Elektronenmobilität von ITIC niedriger ist als PC₇₁ BM [24], was dazu führen kann, dass der Dunkelstrom der OPDs nach der Einführung von ITIC [25] abnimmt.

Bei OPDs hat die Oberflächenmorphologie der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf den Ladungstransport und die Exzitonendissoziation. Eine aktive Schicht mit günstiger Oberflächenmorphologie kann die Ladungsrekombination hemmen und den Photostrom verbessern [26]. Daher werden die Oberflächenmorphologien aktiver Schichten mit unterschiedlichen Verhältnissen durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht, die in Abb. 4 dargestellt sind. Die Oberfläche des P3HT:PC₇₁ BM:Der ITIC-Film (1:1:0) ist etwas rau und der quadratische Mittelwert (RMS) beträgt ungefähr 0,932 nm. Aus dem Phasenbild können wir erkennen, dass die Anordnung der Moleküle nicht ganz gleichmäßig und geordnet ist. Nach dem Dotieren eines Teils von ITIC in die Mischung (1:0.7:0.3, 1:0.5:0.5, 1:0.3:0.7) ändert sich die Oberflächenmorphologie der aktiven Schicht stark und die RMS-Rauheit sinkt auf 0.690 nm, 0.634 nm, bzw. 0,701 nm. Die Variation des RMS kann auf den veränderten Aggregationszustand zurückgeführt werden, wie aus Phasendiagrammen ersichtlich ist. Im Vergleich zum P3HT:PC₇₁ BM-Binärfilm, der mit ITIC dotierte Blendfilm weist eine glattere Oberfläche und eine geordnetere molekulare Anordnung auf. Wenn das Mischungsverhältnis jedoch 1:0:1 wird, erhöht sich die RMS-Rauheit auf 1,386 nm und die Filmmorphologie ist nicht glatt genug, was durch granuläre unerwünschte molekulare Aggregation verursacht wird, die zu einer Zunahme der Ladungsrekombination und einem niedrigen Photostrom führen kann. Den Ergebnissen der AFM-Charakterisierung zufolge haben die ternären Mischungsfilme bessere morphologische Eigenschaften als binäre Filme, was auf die geordnete Anordnung der Moleküle der beiden Akzeptoren zurückzuführen ist, wodurch die molekulare Aggregation in den ternären Filmen reduziert wird.

AFM-Höhenbilder (a –e ) und Phasenbilder (f –j ) von P3HT:PC₇₁ BM:ITIC aktive Schichten mit verschiedenen Verhältnissen

Gemäß den Absorptionsspektren aktiver Schichten sollte das langwellige Absorptionsband der eingeführten ITIC in der Lage sein, den langwelligen Photodetektionsbereich von OPDs effektiv zu verbreitern. Darüber hinaus verändert die Einführung von ITIC auch die elektrischen Eigenschaften und die Oberflächenmorphologie aktiver Schichten. Aus Sicht von SCLC verringert die Einführung von ITIC die Elektronenmobilität der aktiven Schicht, was offensichtlich die Ladungsträgertransportkapazität der Bauelemente verringern würde. Dies hätte dieselbe nachteilige Wirkung auf Dunkelstrom und Photostrom. Die Einführung von ITIC ermöglicht es der aktiven Schicht jedoch auch, mehr Photonen von langen Wellenlängen einzufangen, um Photostrom beizutragen, wodurch der nachteilige Effekt einer geringen Elektronenmobilität auf den Photostrom unter Lichtbedingungen überwunden wird. Eine bessere Filmmorphologie und ein effektiverer Energietransfer in der ternären aktiven Schicht sind ebenfalls vorteilhaft für den ausgezeichneten Photostrom. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Dunkelstrom mit der Zugabe von ITIC abnimmt, während sich der Photostrom unter dem Einfluss verschiedener Faktoren regelmäßig ändert. Daher ist es notwendig, OPDs herzustellen, die aus aktiven Schichten mit unterschiedlichen Verhältnissen aufgebaut sind, um den hohen Photostrom und den niedrigen Dunkelstrom zu bestimmen, um eine ausgezeichnete Photodetektionsleistung zu erzielen.

Leistung von OPDs

Abbildung 5 zeigt die elektrischen Leistungsparameter von OPDs mit unterschiedlichen Anteilen der aktiven Schichten. Die J-V Kurven von OPDs unter hellen und dunklen Bedingungen sind in Abb. 5a dargestellt. Wie gezeigt, haben die OPDs mit unterschiedlichen Massenverhältnissen der aktiven Schicht einen signifikant unterschiedlichen Photostrom und Dunkelstrom. Konkret als P3HT:PC₇₁ Das BM:ITIC-Verhältnis ändert sich von 1:1:0 auf 1:0,5:0,5, der Photostrom nimmt weiter zu, was durch einen erweiterten Lichtsammelbereich, einen effizienten Energietransfer und eine bessere Filmmorphologie in ternären Blends verursacht wird. Umgekehrt als P3HT:PC₇₁ Das BM:ITIC-Verhältnis ändert sich von 1:0,5:0,5 auf 1:0:1, der Photostrom nimmt weiter ab. Der Dunkelstrom nimmt jedoch mit zunehmendem ITIC-Verhältnis weiter ab, was auf eine verringerte Elektronenmobilität und einen ungünstigen Ladungsträgertransport zurückzuführen ist, der durch eine übermäßige Zugabe des ITIC verursacht wird. Der wechselnde Trend von Photostrom und Dunkelstrom stimmt mit der Änderung der Filmeigenschaften überein, die durch die Änderung der ternären Verhältnisse der aktiven Schichten verursacht wird. Die Eigenschaften der Ein/Aus-Verhältnisse von OPDs werden in Fig. 5b untersucht. Die 1:0,5:0,5-OPDs zeigen die höchsten Ein-/Aus-Verhältnisse im Sperrspannungsbereich als die anderen OPDs, was eine viel bessere Schalteigenschaft demonstriert, die auf den höchsten Photostrom und den niedrigeren Dunkelstrom zurückzuführen ist.

a J -V Eigenschaften von OPDs mit verschiedenen Verhältnissen unter dunklen und hellen Bedingungen. b Ein/Aus-Verhältnisse von OPDs. c Ansprech-/Erholungseigenschaften der OPDs unter Licht-Ein/Aus-Modulation. d J _SC von OPDs als Funktion der Lichtintensität

Um sicherzustellen, dass die OPDs ein stabiles und wiederherstellbares Ansprechvermögen haben, ist außerdem die Stromdichte als Funktion der Zeit in Fig. 5c für die Breitband-OPDs mit verschiedenen Verhältnissen gezeigt. Die zyklischen Stromsignale wurden bei der Ein/Aus-Modulation der Lichtbeleuchtung aufgezeichnet. Jeder Zyklus dauert 20 s mit einer Belichtungszeit von 10 s und die Gesamtdauer beträgt 120 s. Die Ergebnisse zeigen, dass der Strom jedes OPD unter Beleuchtung signifikant ansteigt und nach dem Ausschalten des Lichts auf den ursprünglichen Wert zurückkehrt. Es ist offensichtlich, dass diese OPDs stabile und wiederholbare Ansprech-/Erholungseigenschaften aufweisen, was für praktische Anwendungen wünschenswert ist [27].

Um den Einfluss des ITIC-Verhältnisses auf die Rekombination von OPDs unter Lichtbedingungen weiter zu untersuchen, J _SC als Funktion der Lichtintensität aufgetragen. Im Allgemeinen ist eine Potenzgesetz-Abhängigkeit zwischen J _SC und ich kann ausgedrückt werden als J _SC ∝Ich ^α . Wenn α gegen 1 geht, ist die bimolekulare Rekombination relativ schwach [28, 29]. Wie in Fig. 5d gezeigt, haben die OPDs mit dem Verhältnis 1:1:0, 1:0,7:0,3 und 1:0,5:0,5 ähnliche α-Werte, die 0,817, 0,797 bzw. 0,803 betragen. Dies bedeutet, dass diese drei OPDs einen ähnlichen Grad an bimolekularer Rekombination aufweisen. Durch die Einführung von ITIC werden jedoch mehr langwellige Photonen in ternären aktiven Schichten absorbiert, sodass der Photostrom der OPDs mit moderater Dotierung ITIC größer ist als der des P3HT:PC₇₁ BM-OPDs. Bei weiterer Änderung der ternären Verhältnisse auf 1:0,3:0,7 und 1:0:1 sinken die α-Werte auf 0,713 bzw. 0,680. Dies deutet darauf hin, dass die große Menge an ITIC-Dotierung die Rekombination intensiviert und den Photostrom signifikant reduziert.

Um das spektrale Ansprechverhalten der OPDs zu beschreiben, die EQE-Kurven der OPDs mit verschiedenen P3HT:PC₇₁ BM:ITIC-Verhältnisse sind in Fig. 6a gezeigt. Einige Parameter der spektralen Detektionsleistung bei verschiedenen spezifischen Wellenlängen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Gerät basiert auf dem binären P3HT:PC₇₁ Der BM-Film zeigt einen flachen EQE-Peak im Bereich von 400–600 nm, der der Absorption von P3HT und PC zugeschrieben wird₇₁ BM. Nach der Einführung von Nicht-Fulleren, ITIC, in P3HT:PC₇₁ BM, die EQE-Kurve der Breitband-OPDs erstreckt sich bis 760 nm, und ein neuer spektraler Peak von 650 nm bis 750 nm wird erzeugt. Darüber hinaus kann die relative Reaktionsintensität der verschiedenen Spektralbereiche durch Ändern der Massenverhältnisse von P3HT, PC₇₁ . eingestellt werden BM und ITIC. Aus den EQE-Kurven gleicht die Synergie zwischen Donor und Akzeptor beim optimalen Massenverhältnis 1:0,5:0,5 den EQE der gesamten Wellenlänge aus. Die breite und flache EQE-Kurve zeigt intuitiv, dass die mit ITIC dotierten Breitband-OPDs den kontinuierlichen optischen Ansprechbereich effektiv auf den langwelligen Bereich erweitern und das gesamte sichtbare Spektrum von 380–760 nm abdecken.

a Gemessene EQE-Spektren von OPDs mit verschiedenen Verhältnissen. b Berechnetes R Werte von OPDs. c Berechnetes D * Werte der OPDs

Reaktionsfähigkeit (R ) beschreibt die Umwandlungsfähigkeit von Photonen in Ladungsträger von OPDs, die verwendet wird, um die Fähigkeit der Lichtantwort zu bestimmen [30]. R berechnet sich als Gl. (2):

wobei EQE die externe Quanteneffizienz ist, q ist die Elektronenladung, λ ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts, h ist die Planck-Konstante und v ist die Lichtfrequenz. Nach Gl. (2), der Trend von R ist abhängig von der EQE und λ wenn die anderen Parameter konstant sind. Die berechneten Ergebnisse von R Werte sind in Abb. 6b und Tabelle 1 gezeigt. Ähnlich wie bei den EQE-Kurven erhalten 1:0,5:0,5-basierte OPDs einen höheren R als andere OPDs sowohl im langwelligen als auch im kurzwelligen Bereich. Die R Werte der Optimierung von Breitband-OPDs erreichten 0,21 A W ⁻¹ und 0,25 A W ⁻¹ bei 560 nm bzw. 710 nm. Das breite R Die Kurve zeigt, dass Breitband-OPDs, die mit einer geeigneten Menge an ITIC dotiert sind, das einfallende Licht des gesamten sichtbaren Spektrums gleichmäßig absorbieren und effizient in Photostrom umwandeln können.

Als wichtigster Leistungsparameter von OPDs ist der D * wird verwendet, um die Lichtempfindlichkeit von OPDs zu bestimmen. Das D * von OPDs kann als Gl. (3):

Die berechneten Ergebnisse von D * sind in Abb. 6c dargestellt. Für die Kontroll-OPDs basierend auf P3HT:PC₇₁ BM, die Erkennungsrate überschreitet 1.0 × 10 ¹² Jones von 380 nm auf 600 nm und erreicht 1,67 × 10 ¹² Jones bei 560 sm. Zum Vergleich:OPDs-Dotierung durch ITIC hat den effektiven Photodetektionsbereich auf das gesamte sichtbare Spektrum von 380–760 nm erweitert. Insbesondere erreichte die Detektivität der erhaltenen OPDs mit einem Verhältnis von 1:0,5:0,5 2,12 × 10 ¹² Jones und 2,67 × 10 ¹² Jones bei 560 nm bzw. 710 nm. Einerseits wurde der Photodetektionsbereich von OPDs durch den Zusatz von ITIC erweitert. Andererseits ist die Detektivität der Optimierung von OPDs im gesamten sichtbaren Spektrum höher als die anderer OPDs, was durch einen hohen Photostrom und einen niedrigen Dunkelstrom bei dem Optimierungsverhältnis der aktiven Schicht verursacht wird.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hochleistungs-OPDs mit vollständiger Photodetektion von sichtbarem Licht hergestellt werden, indem ein Nicht-Fulleren-Akzeptor von ITIC in das P3HT:PC₇₁ . eingeführt wird BM-Steuerungssystem. Die drei Materialien bilden das komplementäre Spektrum, die zusammen effektiv einen Breitband-Photodetektor realisieren, der das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt. Darüber hinaus sind die OPDs mit einem geeigneten Verhältnis von P3HT:PC₇₁ BM:ITIC weist eine bessere Photonensammelfähigkeit, einen geringeren Dunkelstrom, einen effizienteren Energietransfer und eine günstigere Filmmorphologie auf, um die Detektivität zu verbessern. Bemerkenswert ist, dass unser Ansatz prägnant, hoch reproduzierbar und skalierbar ist. Unsere Arbeit zeigt, dass die Auswahl eines geeigneten Nicht-Fulleren-Elektronenakzeptors und eines geeigneten Binärsystems zum Aufbau der aktiven Schicht des komplementären Lichtabsorptionsspektrums eine effektive Methode ist, um Hochleistungs-Breitband-OPDs zu erzielen, die in der zukünftigen Forschung weit verbreitet sein werden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskop

BHJ:

Massen-Heterojunction

Bphen:

Bathophenanthrolin

D*:

Detektivität

EQE::

Externe Quanteneffizienz

HOMO:

Das höchste besetzte Molekülorbital

ITIC:

3,9-Bis(2-methylen-(3-(1,1dicyanomethylen)-indanon))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3d:2,3′-d ′]-s-Indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophen

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

J _d :

Dunkelstromdichte

J-V :

Die Stromdichte-Spannung

LUMO:

Das niedrigste unbesetzte Molekülorbital

OPDs:

Organische Fotodetektoren

OSCs:

Organische Solarzellen

P3HT:

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

PC₇₁ BM:

[6,6]-Phenyl C71-Buttersäuremethylester

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat

PL:

Stationäre Photolumineszenz

RMS:

Quadratischer Mittelwert

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie