近紅外光探測(cè)能力強(qiáng)的光電探測(cè)器更有利于檢測(cè)人體心率，而且探測(cè)范圍覆蓋紅光與近紅外光的寬帶響應(yīng)光電探測(cè)器能用于檢測(cè)血氧飽和度，因此提升寬帶響應(yīng)光電探測(cè)器的紅光與近紅外光探測(cè)能力具有重要意義。然而，經(jīng)典的二元體異質(zhì)結(jié)寬帶響應(yīng)倍增型有機(jī)光電探測(cè)器通常由于活性層中給體/受體比例差異較大，導(dǎo)致器件對(duì)紅光與近紅外光的響應(yīng)能力較弱甚至沒(méi)有響應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，閩江學(xué)院和重慶郵電大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)在《發(fā)光學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“PCE10顯著提升三元倍增型有機(jī)光電探測(cè)器紅光與近紅外光探測(cè)能力”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為王建彬，主要從事有機(jī)光電材料與器件的研究。

本文通過(guò)用少量給體材料PCE10替代活性層P3HT∶IEICO‐4F（100∶1）中部分P3HT的方法，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCE10∶IEICO‐4F（90∶10∶1）/Al的體異質(zhì)結(jié)三元倍增型有機(jī)光電探測(cè)器。三元器件的紅光和近紅外光探測(cè)能力得到顯著提升，為制備用于人體心率與血氧飽和度檢測(cè)的高性能光電探測(cè)器提供了策略。

器件制備與表征

器件制備

ITO電極玻璃分別用加洗滌劑的去離子水、丙酮以及異丙醇各經(jīng)超聲波30 min清洗后，放入烘箱70 ℃恒溫過(guò)夜烘干。接著，將PEDOT∶PSS以5 000 r·min?1（40 s）旋涂到預(yù)先經(jīng)紫外臭氧處理15 min的ITO電極玻璃上作為界面層，并在空氣環(huán)境中經(jīng)110 ℃退火10 min后轉(zhuǎn)移到充滿氮?dú)獾氖痔紫渲小?br />
然后，將溶解于1,2-二氯苯溶劑、濃度為40 mg/mL的P3HT∶PCE10∶IEICO-4F（90∶10∶1）和P3HT∶IEICO-4F（100∶1）溶液經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笠?00 r·min?1（25 s）分別旋涂在PEDOT∶PSS界面層上，在手套箱中經(jīng)80 ℃退火20 s后形成厚度約為250 nm的活性層。緊接著，在真空度為1×10?? Pa的腔體中將厚度約80 nm的Al電金屬電極蒸鍍到活性層上。最后，在手套箱中用封裝玻璃對(duì)器件進(jìn)行封裝。材料分子結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 材料分子結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)示意圖

器件表征

器件電流密度- 電壓特性（J-V）曲線通過(guò)Keithley 2636B光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到，入射光由太陽(yáng)光模擬器提供并采用中性衰減片調(diào)節(jié)光強(qiáng)，光強(qiáng)由標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池進(jìn)行標(biāo)定。器件在不同偏壓下的EQE響應(yīng)光譜由Zolix光電探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)與Keithley 2636B光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組合測(cè)量獲得。材料在室溫下的吸收光譜通過(guò)Lambda365紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量。經(jīng)加熱處理后的器件活性層厚度由Bruker Dektak XT臺(tái)階儀測(cè)量得到。

結(jié)果與討論

材料能級(jí)和吸收光譜

器件中的材料能級(jí)如圖2（a）所示?；钚詫又?，由于電子給體P3HT和PCE10的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)與電子受體IEICO-4F的LUMO能級(jí)間的差異分別約為1.29 eV和0.55 eV，可將被大量P3HT或PCE10分子所包圍的少量IEICO-4F分子看作電子陷阱，電子傳輸通道不連續(xù)。其中，P3HT分子包圍IEICO-4F分子構(gòu)成的電子陷阱比PCE10分子包圍IEICO-4F分子構(gòu)成的電子陷阱深，對(duì)電子的束縛能力相對(duì)較強(qiáng)。以1,2-二氯苯為溶劑制備的P3HT、PCE10和IEICO-4F薄膜的歸一化吸收光譜如圖2（b）所示，三種材料的薄膜吸收光譜能夠較好地互補(bǔ)。

圖2 （a）器件中的材料能級(jí)；（b）P3HT、PCE10和IEICO-4F薄膜的歸一化吸收光譜

器件J?V曲線

圖3（a）、（b）分別為二元和三元器件的J?V曲線。由于PEDOT∶PSS是空穴傳輸界面層，有利于空穴傳輸，并且ITO電極功函數(shù)與P3HT或PCE10的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級(jí)間的差異相對(duì)較?。?.4 eV或0.52 eV），偏壓下無(wú)光照時(shí)無(wú)法有效阻擋外電路空穴隧穿注入。

圖3 器件電流密度-電壓特性曲線

器件光譜響應(yīng)特性

圖4（a）、（b）分別為二元和三元器件在不同偏壓下的EQE響應(yīng)光譜。二元和三元器件都呈現(xiàn)300 nm ~ 900 nm范圍內(nèi)的寬光譜響應(yīng)。二元和三元器件的EQE都隨偏壓增加而顯著提升（?100%），可歸因于電場(chǎng)E的增強(qiáng)帶來(lái)的效應(yīng)。

圖4 不同偏壓下的器件EQE響應(yīng)光譜

二元和三元器件的響應(yīng)度和探測(cè)靈敏度光譜分別如圖5（a）、（b）所示，都與器件EQE相關(guān)，形狀和EQE光譜相似。與二元器件相比，三元器件在300 nm ~ 900 nm光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的響應(yīng)度平均值（698.2 A·W?1）和探測(cè)靈敏度平均值（5. 29×1013 Jones）分別提升了49倍和16倍。特別是，三元器件在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的響應(yīng)度和探測(cè)靈敏度提升更顯著?；钚詫又袚饺隤CE10能夠顯著提升三元器件在響應(yīng)范圍內(nèi)的整體光探測(cè)能力，特別是對(duì)器件紅光和近紅外光探測(cè)能力的提升，具有重要意義。

圖5 二元與三元器件的響應(yīng)度光譜（a）和探測(cè)靈敏度光譜（b）

器件工作機(jī)理

圖6為反向偏壓和光照下的三元體異質(zhì)結(jié)倍增型有機(jī)光電探測(cè)器中的載流子傳輸示意圖。反向偏壓下，被電子陷阱捕獲在Al電極附近的光生電子數(shù)決定了外電路空穴隧穿注入活性層的數(shù)量。入射光透過(guò)ITO電極先被附近的材料吸收產(chǎn)生大量光生電子分布在ITO電極附近，少量入射光會(huì)穿過(guò)活性層到達(dá)Al電極附近被吸收產(chǎn)生少量光生電子。

圖6 反向偏壓下，三元器件中的載流子傳輸示意圖

結(jié)論

本文通過(guò)溶液法制備了結(jié)構(gòu)分別為ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO-4F（100∶1）/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCE10∶EICO-4F（90∶10∶1）/Al的二元和三元體異質(zhì)結(jié)倍增型有機(jī)光電探測(cè)器。與二元器件相比，三元器件在810 nm處的EQE（147000%）、R（960.2 A·W?1）和D*（7.27 × 1013 Jones）分別提升了105、105、36倍，同時(shí)三元器件在660 nm處的EQE（134000%）、R（713.2 A·W?1）和D*（5.4 × 1013 Jones）分別提升了77、77、26倍。提升倍增型有機(jī)光電探測(cè)器的紅光與近紅外光探測(cè)能力，有利于采用指端透射法在檢測(cè)人體HR和SpO?過(guò)程中實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)以及精準(zhǔn)測(cè)量。因此，采用雙電子給體的策略來(lái)提升倍增型有機(jī)光電探測(cè)器紅光與近紅外光的探測(cè)能力，有利于拓寬倍增型有機(jī)光電探測(cè)器的應(yīng)用范圍。

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DOI: 10. 37188/CJL. 20230257

審核編輯：劉清