电子过滤层对聚合物光电探测器性能影响的研究

The unique optoelectronic properties in organic semiconductors make them interesting candidates for the applications in the field of light signal detection. Compared to the commerical inorganic counterparts, the performances of organic photodetectors still need further improvement, and many physical mechanisms have not been systematically investigated. We propose a novel electron-filtering layer (EFL) in order to improve the performances of organic photodetectors (OPDs). It is our motivation to investigate influence of the EFL on exciton dissociation, diffusion, and charge carrier collection. In addition, we plan to figure out how the solvents and additives influence the active layer performance. Through effective manipulation of exciton generation and dissociation, exciton diffusion and recombination, exciton-polaron quenching, and charge carrier transportation and collection, it will be a good manner to refrain the dark current, and boost the device efficiency, responsivity and detectivity in order to realize high performance photodetectors.

有机半导体特有的光电特性使其在光信号探测方面表现出巨大的发展潜力和应用前景。与目前商用的无机光电探测器相比，有机光电探测器的综合性能还有待进一步提高，器件内部的微观物理机制仍未得到系统的研究。本项目以提高有机光电探测器的综合性能为目标，设计一种新的含有双组分掺杂的电子过滤层，通过研究电子过滤层对激子解离、扩散、电荷收集等器件内部物理机制的影响，并研究有机溶剂及其添加剂对有源层成膜特性的影响机理，实现对激子产生和解离、激子扩散和复合、激子-极化子淬灭、载流子输运和收集等微观过程的调控，进而降低有机光电探测器的暗电流，提高内、外量子效率、光谱响应度以及探测率，最终研制出综合性能显著提升的有机光电探测器。

有机光电探测器因响应速度快、光谱响应范围广、容易调制光谱范围、质量轻、柔性、可大面积生成等新颖特性，在图像传感、光通信、实时远程控制、生物医疗、国防战备等领域有着广泛的应用前景。藉由本青年基金的实施，我们从实验和理论上对有机光电探测器中的激子行为、电荷输运和提取等微观机制进行一系列的探索，结合器件的优化和宏观参数的测试结果，了解了新型电子过滤层在有机光电探测器中的影响机制，改善了其光电性能。.具体地，对照项目的研究内容，我们取得了如下结果：.1. 通过采用双组分的电子过滤层结构，发现荧光淬灭更为有效，表明激子解离成电荷并被电极提取的速率更快。.2. 通过比较不同溶剂对有源层制备后的形貌研究，我们发现采用高沸点的溶剂得到的薄膜缺陷较多，而低沸点的溶剂制备的薄膜缺陷虽少，但因挥发速度快，容易导致不同批次的器件结果差异较大；添加剂的实用与不同沸点的溶剂的搭配对器件性能的作用效果有较大的差别，即添加剂对溶剂有较大的选择性。.3. 通过引入具有电子掺杂作用的双组分电子过滤层结构，我们发现光照下的电流-电压曲线的S-kink现象明显得到改善，外量子效率和稳定性得到明显的改善，这不仅取决于该双组分电子过滤层对电子的有效滤过，也得益于其对激子的阻挡作用，使其在有源层内有效地解离为自由载流子，而不是被电极所淬灭；同时由于漏电流的减少，器件的开关电流比也得到了改善。.4. 最后，我们通过采用等效电路拟合和引入陷阱态模型，合理地解释了有机光电探测器中常见的S-kink产生的缘由，为器件的优化提供了重要的理论指导。.综上，通过选用双组分电子过滤层结构，我们有效地改善了有机光电探测器的探测率、光谱响应度以及外量子效率和稳定性，另外，在反向电压的驱动下，我们还发现了有机光电探测器的增益行为；摸清了器件制备过程中溶剂、添加剂、退火等工艺对器件性能影响的一些规律。