CN113540356B - 一种对于近红外光具有高探测率的自驱动有机光电探测器 - Google Patents
一种对于近红外光具有高探测率的自驱动有机光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及构建一种具有垂直相分离结构的有机光电探测器，从而实现了较低的暗电流，获得了一种对于近红外光具有高探测率的自驱动有机光电探测器。利用垂直相分离结构的构建，增加了界面层与活性层间不利的电荷注入势垒，以降低暗电流，获得较高的探测率。
Description
技术领域
本发明涉及构建垂直相分离结构的有机光电探测器领域。经过依次旋涂过程，从而构建垂直相分离结构，增加不利的电荷注入势垒，以达到降低暗电流的目的，获得具有较高探测率的有机光电探测器。
背景技术
有机光电探测器(OPDs)结合了有机半导体的优势，表现出探测波长可调、成本低、质轻、可柔性制备等有点。构建自驱动光电探测器能够在低功耗的条件下进行独立的、无线、可持续的工作。为了追求高的光子利用率，大多数研究人员通过将给受体共混从而构建本体异质结(BHJ)结构器件(BC器件)。但是，在BHJ结构的器件中，给体材料和受体材料的随机分布提高了载流子的复合几率，导致电荷输运不平衡，进而限制了器件性能。同时，由于给受体材料表面能的不同，其聚集方向也会产生差异。例如，在正向结构器件中，表面能较低的组分倾向于聚集于较低表面能的空气界面处，表面能较高的组分倾向于聚集在底部的界面处。这一性质直接影响有机光电探测器中的活性层在垂直方向上的分布，从而造成了动力学的不稳定。此外，BC器件中由于界面层附近给体和受体的同时存在而产生不利的电荷注入，直接导致了暗电流的增加。
为了降低有机光电探测器的暗电流，在器件优化过程中通常采用：1.构建平面异质结(PHJ)结构器件；2.构建垂直相分离结构器件；3.引入阻挡层等。因此，通过构建给体(D)区域、给受体共混(D:A)区域、受体(A)区域，从而构建具有垂直相分离结构的有机光电探测器(SD器件)。垂直相分离结构的有机光电探测器减少了不利的电荷注入，有利于暗电流的降低，从而获得较高探测率。
发明内容
本发明针对传统的BC器件所存在的问题，提出了垂直相分离结构的有机光电探测器(SD器件)。采用给体(D)区域、给受体共混(D:A)区域、受体(A)区域的制备而构建垂直相分离结构的有机光电探测器，该器件具有较高的电荷注入势垒，较低的暗电流，从而获得较高的探测率。
为实现上述目的，本发明提供了一种垂直相分离结构的有机光电探测器，垂直相分离结构包括给体(D)区域、给受体共混(D:A)区域、受体(A)区域；
其中，所述的给体(D)区域选自D18、PM6、PBDB-T、P3HT中的任意一种或其组合；
其中，所述的给受体共混(D:A)区域选自D18:Y6、PM6:Y6、PBDB-T:IEICO-4F、P3HT:PC71BM中的任意一种或其组合；
其中，所述的受体(A)区域选自Y6、IEICO-4F、PC71BM中的任意一种或其组合。
此外，本发明还提供了垂直相分离结构的有机光电探测器的制备方法，其特征在于：
(1)首先在含有界面层的导电基地上旋涂给体(D)材料的溶液，制备给体(D)区域；
(2)将保护溶剂旋涂于给体薄膜上形成保护溶剂涂层；
(3)在给体(D)材料的薄膜上旋涂受体(A)材料的溶液；
(4)经过热退火或溶剂退火，使得部分受体(A)溶液扩散到给体(D)薄膜的上半部分，形成给受体共混(D:A)区域；
(5)同时，留在器件顶部的受体(A)材料形成受体(A)区域；
(6)经过界面层旋涂、真空蒸镀，从而得到所述的有机光电探测器。
在本发明的技术方案中，其中步骤(1)所述的给体(D)材料溶液的溶剂选自氯苯；
在本发明的技术方案中，其中步骤(2)所述的保护溶剂为正辛烷、正壬烷或者正癸烷中的一种或其组合；
在本发明的技术方案中，其中，步骤(3)所述的受体(A)材料溶液的溶剂选自氯仿；
与现有技术相比，本发明专利的优点在于：
1.本发明打破了正交溶剂法的限制，通过逐层旋涂法制备了垂直相分离结构的有机光电探测器。
2.本发明器件基于D18+Y6体系的有机光电探测器的暗电流达到了10-11，从而使探测率(D*)达到了1014，为二元自驱动有机光电探测器的最高D*值。并且，普适性研究表明该结构的有机光电探测器的D*值都比传统的本体异质结结构有机光电探测器的D*值高出一个数量级。
3.本发明器件中研究了器件结构对器件性能的影响。依据材料表面能的差异构建良好的垂直相分离结构，提高器件的稳定性。
附图说明：
图1为本发明实施例1提供的器件结构示意图；
图2为本发明实施例提供的BC器件和SD器件中给体材料(例如：D18)的分布情况；
图3为本发明实施例提供的BC器件和SD器件的J-V曲线；
图4为本发明实施例提供的BC器件和SD器件的D*-λ曲线；
图5为本发明实施例提供的BC器件和SD器件光电流稳定性研究。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，具体包括器件制备、材料表征、器件性能。
实例1
垂直相分离结构有机光电探测器(SD器件)的制备：
ITO玻璃若干，方块电阻约为20欧/方，规格为15毫米×15毫米方片。分别将ITO玻璃在洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇中超声清洗30min。将ITO玻璃在氮气的条件下吹干，并将其置于UVO紫外灯下照射20min。将空穴传输层PEDOT:PSS(Clevios P VP Al 4083)在3000rpm的转速下旋涂30s。经过150℃退火15min后，转移到手套箱中备用。将给体材料溶解在氯苯溶剂中，浓度为4-8mg/mL，在1200-1800rpm的转速下旋涂在空穴传输层上。之后，将30μL的正辛烷旋涂在给体材料上。将受体材料溶解在氯仿溶剂中，旋涂在保护溶剂上，其旋涂条件为3000rpm，50s。所得薄膜在100℃温度下退火10min或溶剂退火，使部分受体材料扩散至给体薄膜中。将电子传输层PDINO的甲醇溶液旋涂于器件上。最后，采用真空蒸镀法蒸镀Al电极作为阴极。
图1为实例1中器件的结构图，(a)BC器件，(b)SD器件。
图2为实例1中BC器件和SD器件中给体材料(例如：D18)的分布情况。由图2可得，BC器件中D18在整个薄膜范围内是随机分布的；SD器件中，D18主要分布在器件的底层(HTL侧)，有利于垂直相分离结构的构建。
实例2
器件性能
由图3、图4得，传统的BC器件在0V的偏压下暗电流为4×10-9A/cm2，在805nm处达到最高的D*值为1.39×1013Jones。通过构建垂直相分离结构，SD器件在0V的偏压下暗电流为2×10-11A/cm2，在805nm处达到最高的D*值为1.97×1014Jones。与BC器件相比，SD器件的暗电流降低了2个数量级，D*值提高了一个数量级。
并且，由图1和5得，通过垂直相分离结构的构建，增加了SD器件的电荷注入势垒，使得暗电流的降低，从而获得了较高的D*值。
并且，通过公式(1)进一步计算了给受体材料的表面能，如表一所示。
其中，γL是液体的表面张力，和/>分别是γL的非极性分量和极性分量，θ是液体在薄膜表面的接触角。
表一 不同材料的表面能
在正向器件中，表能较低的组分倾向于聚集于空气界面处，表能较高的组分倾向于聚集在器件的底部。依据表面能差异，构建了良好的垂直相分离结构，有利于器件稳定性的提高。由图5得，暗态存储于手套箱的SD器件比BC器件表现出较优的光电流稳定性。
由实例1～2可得，垂直相分离结构的有机光电探测器(SD器件)表现出较低暗电流，从而获得了较高的探测率D*，该性能是二元自驱动器件中最高的D*值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种有机光电探测器器件，包括垂直相分离结构的构建，垂直相分离结构包括给体(D)区域、给受体共混(D:A)区域、受体(A)区域；其特征在于：
所述的给体(D)区域选自D18；
所述的给受体共混(D:A)区域选自D18:Y6；
所述的受体(A)区域选自Y6。
2.一种如权利要求1所述的垂直相分离结构有机光电探测器的制备方法，其特征在于：
(1)首先在含有界面层的导电基地上旋涂给体(D)材料的溶液，制备给体(D)区域；
(2)将保护溶剂旋涂于给体薄膜上形成保护溶剂涂层；
(3)在保护层上旋涂受体(A)材料的溶液；
(4)经过热退火或溶剂退火，使得部分受体(A)溶液扩散到给体(D)薄膜的上半部分，形成给受体共混(D:A)区域；
(5)同时，留在器件顶部的受体(A)材料形成受体(A)区域；
(6)经过界面层旋涂、真空蒸镀，从而得到所述的有机光电探测器；
步骤(1)所述的给体(D)材料溶液的溶剂选自氯苯；
步骤(2)所述的保护溶剂为正辛烷、正壬烷或者正癸烷中的一种或其组合；
步骤(3)所述的受体(A)材料溶液的溶剂选自氯仿。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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