华南理工最新AM：光电倍增驱动的双模式有机光探测器，偏压切换下的性能飞跃与应用拓展

 

光电倍增型有机光电探测器（PM-OPDs）具有信号放大功能，适用于微弱光检测，但响应速度慢、暗电流高。光伏型有机光电探测器（PV-OPDs）响应速度快、探测率高，但光响应有限。本文通过在活性层中引入非富勒烯受体BFDO-4F，创建陷阱态以捕获光生电子，实现了PV和PM双模式切换的电池。

 

有机光探测器（OPDs）因可定制光谱响应、便于集成和成本低受关注。PV型OPDs光响应低，PM型OPDs虽能信号放大，但存在响应慢、暗电流大等问题，双模式OPDs结合二者优势，需进一步探索。材料与电池结构

 

使用的材料信息和电池结构

BFDO-4F的化学结构：BFDO-4F是一种新型的非富勒烯受体材料，其结构设计旨在引入电子陷阱态，以捕获光生电子，从而实现光电倍增效应。

 

材料的吸收光谱和能级：各材料对不同波长光的吸收能力，这与电池的光谱响应特性紧密相关。

 

双模式 OPD 的电池架构：这种架构为电荷的产生、传输和收集提供了物理基础，不同层之间协同作用，在不同偏压下实现 PV 和 PM 模式的切换 。

不同偏压条件下的工作模式特性

 

双模式OPD在不同条件下的工作机制

 

PM模式: 在正向或高反向偏压下，通过BFDO-4F引入的电子陷阱态捕获光生电子，导致能级弯曲，促进空穴注入，实现光电倍增。

 

PV模式: 在零或小反向偏压下，光生载流子被有效分离和提取，形成光电流，表现为典型的光伏效应。双模式 OPD 的性能参数

 

双模式OPD的性能

 

 

EQE 光谱与 BFDO - 4F 浓度及偏压的关系：

 

在1 V正向偏压下，随着BFDO-4F浓度的增加，EQE从1612%下降到857%（在820 nm波长处）。这种下降可以归因于BFDO-4F浓度增加引入的更多电子陷阱，导致注入空穴与捕获电子在ZnO/BHJ界面处的复合增加。

 

在0V 偏压（PV 模式）下，随着BFDO-4F浓度的增加，EQE从12%下降到4%（在820 nm波长处）。这种下降是由于增加的杂质/陷阱阻碍了光生载流子的提取。

 

1 wt% BFDO-4F的OPD随着偏压从零向正向增加，EQE逐渐增加，在2.5 V正向偏压下超过5700%。在反向偏压下，最大EQE从17%增加到143%（在-20 V偏压下）。

 

EQE光谱展示了电池在不同偏压和BFDO-4F浓度下的光电响应能力，特别是在PM模式下的高EQE。陷阱效应分析

 

双模式OPD中陷阱效应的研究

电流-电压与复合特性：随着 BFDO-4F 浓度增加，电流上升，这与陷阱态密度改变有关，导致热激发和复合增强。由τ−n曲线和krec可知，陷阱态影响载流子复合，krec 变化反映了复合损失情况。

 

光伏性能参数变化：BFDO-4F 浓度增加时，出现 S 形扭结，开路电压、填充因子和短路电流密度下降，意味着陷阱导致电荷传输问题和非辐射复合增加。

 

陷阱态的验证：BFDO-4F 有显著信号，证明其具有自由基特征，可作为电荷载流子的陷阱。

 

动态范围表现：PV 模式下，陷阱阻碍载流子传输，正向偏压使复合加剧，DR降低；反向偏压增加时，PM 模式下DR下降，但空穴收集更有效。形貌分析

 

三元共混物的GIWAXS和TEM分析

 

GIWAXS分析: 揭示了BFDO-4F增加对晶体结构和堆积位错的影响，表明结晶度提高。

 

TEM图像: 展示了相分离尺度上的晶域形成，有助于理解薄膜的微观结构。

 

AFM图像: 进一步证实了BFDO-4F增加对薄膜表面形貌和结晶度的影响。应用展示

 

双模式OPD的应用展示

 

自供电模块: 展示了PV和PM模式的集成应用，实现了无需外部偏压或放大器的显著光电增益。

 

生物传感中的光电流放大: PM 模式下检测微弱光信号能力强，用于光体积脉搏波（PPG）测量，信号比硅光电探测器强 21 倍 。

 

可穿戴电子：在柔性 PI 基板上保持较高 PM 效应，EQE 超 1000%，适用于可穿戴设备 。

 

通用性验证：将 BFDO-4F 用于不同活性层体系，电池同样展现双模式特性和快速响应速度 。

 

 

通过引入非富勒烯受体BFDO-4F，成功开发了一种偏压可切换的双模式有机光电探测器（OPD），结合了光电倍增（PM）和光伏（PV）两种工作模式的优势。该电池在PV模式下表现出高探测率（D*）和快速响应速度，而在PM模式下实现了极高的外量子效率（EQE）和显著的光电增益。通过自供电模块的展示，我们进一步验证了这种双模式OPD在高度集成和微型化应用中的潜力。美能QE量子效率测试仪

 

美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

 

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原文出处：Bias-Switchable Photomultiplication and Photovoltaic Dual-Mode Flexible Near-Infrared Organic Photodetector