Photodétecteurs organiques hautes performances grâce à l'introduction d'un accepteur non fullerène pour élargir le spectre de détection des longues longueurs d'onde

Introduction

La lumière visible, en tant que partie du spectre électromagnétique directement perceptible par la vision humaine (380-780 nm), joue un rôle important dans la vie quotidienne et la production industrielle [1]. La télédétection en lumière visible est la plus couramment utilisée en reconnaissance photographique aérienne. La détection d'images en couleur est également principalement basée sur la lumière visible, etc. [2]. En tant que pont entre le signal optique et le signal électrique, le photodétecteur joue un rôle irremplaçable dans les applications ci-dessus, provoquant ainsi une attention étendue et continue [3]. Par conséquent, la recherche d'un photodétecteur visible de haute performance est impérative et d'une grande importance. Par rapport aux photodétecteurs inorganiques traditionnels, les photodétecteurs organiques (OPD) ont attiré une attention considérable pour les applications dans les applications électroniques flexibles et portables en raison de leur flexibilité, de leur absorption réglable, de leur légèreté, de leur détection sur une grande surface et de leur faible coût de préparation [4]. Ces dernières années, bien que les OPD aient fait quelques progrès dans des aspects tels que l'efficacité quantique externe élevée [5], la faible densité de courant d'obscurité [6] et la détectivité élevée [7], il n'y a que quelques tentatives de recherche pour étudier le haut débit à haute performance. OPD avec photodétection entièrement visible jusqu'à présent.

La récupération efficace de la lumière et la large plage d'absorption sont d'une importance cruciale dans les OPD à large bande. Par conséquent, de nombreux matériaux donneurs et accepteurs avec des bandes interdites différentes ont été développés et de nombreux systèmes d'hétérojonction donneur/accepteur classiques ont été construits au cours de recherches antérieures [8]. Parmi eux, le poly(3-hexylthiophène) (P3HT):ester méthylique d'acide phényl-C71-butyrique (PC₇₁ L'hétérojonction en vrac (BHJ) BM) a été largement étudiée dans les dispositifs photovoltaïques organiques, en raison de sa mobilité relativement élevée des porteurs, de ses performances stables, de sa structure simple, de son faible coût et de son processus de préparation mature [9, 10]. Néanmoins, bien que la réponse spectrale de P3HT:PC₇₁ La BM couvre 400 à 600 nm, elle n'est pas assez large pour constituer une photodétection visible complète, en raison de l'absence de la région des ondes longues. Par conséquent, il est nécessaire de trouver une méthode efficace pour étendre la plage de réponse spectrale de P3HT:PC₇₁ Système conventionnel BM. Similaire aux cellules solaires organiques (OSC) [11, 13,7% en intégrant les avantages des matériaux et de deux cellules binaires. Energy Environ Sci 11:2134-2141" href="/articles/10.1186/s11671-019-3033-8#ref-CR12" id="ref-link-section-d292454161e695">12], introduisant un troisième matériau dans le La couche active est l'une des méthodes les plus efficaces et les plus simples pour remplir les OPD à large bande avec une plage de photodétection étendue et d'excellentes performances [13]. Par exemple, Rauch et al. ont développé le P3HT:PC₇₁ BM BHJ où les points quantiques PbS comme composant d'introduction, qui ont étendu avec succès la plage de détection des OPD à 1800 nm [14]. Mario Caironi et al. développé le T1:P3HT:PC₇₁ OPD BM avec une réponse à large bande de 360 ​​à 680 nm en introduisant un donneur d'électrons à absorption de longueur d'onde moyenne T1 [15].

Récemment, une nouvelle classe d'accepteurs d'électrons non fullerènes a montré des coefficients d'absorption élevés et d'excellentes propriétés électriques, suscitant une préoccupation généralisée dans la recherche de dispositifs photovoltaïques [16, 17]. Par rapport aux accepteurs de dérivés de fullerène conventionnels, les accepteurs non fullerènes ont une absorption diversifiée et forte, ce sont donc les meilleures options à introduire dans le système traditionnel en tant que troisième composant [18]. Par exemple, Tan et al. a développé un dispositif de mélange d'accepteurs ternaires en dopant le 3,9-bis(2-méthylène-(3-(1,1dicyanométhylène)-indanone))-5,5,11,11-tétrakis(4-hexylphényl)-dithieno[2, 3d:2,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophène (ITIC) dans le PBDTBDD:PC₆₀ Mélange BM pour obtenir une parfaite absorption complémentaire et un PCE élevé de 10,36 % [19]. De plus, la caractéristique distinctive de l'ITIC est la réponse spectrale à ondes longues de 600 à 800 nm, par rapport à la réponse à ondes courtes et moyennes inhérentes aux dérivés traditionnels du fullerène. Par conséquent, ITIC peut être combiné avec P3HT:PC₇₁ BM BHJ avec une réponse de 400 à 600 nm, qui peut étendre la plage de photodétection à la plage des ondes longues pour réaliser la photodétection efficace de tout le spectre visible en continu.

Ainsi, dans ce travail, ITIC est d'abord introduit dans P3HT:PC₇₁ Système conventionnel BM pour former des OPD à large bande. Par rapport au contrôle P3HT:PC₇₁ BM OPD, le système de mélanges ternaires permet d'obtenir une réponse spectrale plus large. Pendant ce temps, en réglant les ratios de ITIC et PC₇₁ BM respectivement, les OPD à large bande couvrant toute la bande visible de 380 nm à 760 nm sont obtenues, par rapport à la bande de photodétection originale de 380 à 620 nm. De plus, en raison de la région de collecte de lumière plus large, d'une meilleure morphologie du film, d'un transfert d'énergie plus efficace et d'un courant d'obscurité plus faible, les OPD d'optimisation ont présenté une détectivité élevée de 2,12 × 10 ¹² Jones et 2,67 × 10 ¹² Jones à 560 nm et 710 nm, respectivement.

Méthodes

Les structures moléculaires des matériaux de couche active utilisés dans ce travail sont illustrées à la figure 1a, et la structure des OPD à large bande de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO)/poly(3,4-éthylènedioxythiophène):polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS) (45 nm )/P3HT:PC₇₁ BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm) est représenté sur la figure 1b. Les niveaux d'énergie des matériaux de couche active dans les OPD à large bande sont illustrés à la figure 1c. L'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO) et les niveaux d'orbitale moléculaire occupée (HOMO) les plus élevés de P3HT, ITIC et PC₇₁ Les BM suivent un alignement normatif en cascade, ce qui indique la voie de transport de charge potentiellement efficace parmi eux. Le Bphen est utilisé comme couche tampon pour améliorer la capacité de transport des porteurs de charge et réduire l'extinction des photo-excitons à l'interface entre la couche active et la cathode [20]. Sinon, le HOMO de Bphen est plus élevé que les matériaux actifs, qui peuvent être utilisés comme couche de blocage des trous pour réduire le courant d'obscurité sous polarisation inverse.

un Structures chimiques des matériaux de couche active. b Structure de périphérique des OPD. c Diagramme de niveau d'énergie des OPD

Avant de commencer la fabrication des OPD, les substrats ITO ont été nettoyés consécutivement dans un bain à ultrasons toutes les 10 minutes avec une solution eau-détergent, du solvant acétone, de l'eau déminéralisée et du solvant IPA, respectivement [21]. Après séchage à l'étuve, ces substrats d'ITO ont été traités par plasma d'oxygène pendant 20 min. Ensuite, le PEDOT:PSS a été déposé par centrifugation à 3000 tr/min pendant 60 s sur des substrats ITO. Après un recuit thermique à 150 °C pendant 20 min, les substrats ont été déplacés dans une boîte à gants de haute pureté (O₂ , H₂ O < 1 ppm). P3HT, PC₇₁ BM et ITIC ont été dissous dans du chlorobenzène avec des rapports de masse différents. La concentration totale de ces matériaux a été fixée à 30 mg ml ⁻¹ , et le rapport massique du mélange donneur (P3HT) et accepteurs (PC₇₁ BM, ITIC) a été fixé à 1:1. Les solutions de couche active ont été coulées par centrifugation sur le dessus de la couche PEDOT:PSS à 2000 tr/min pendant 60 s. Par la suite, les films de mélange ont été recuits à 120 °C pendant 10 min. Suivi par le dépôt d'Ag comme anode à une vitesse de dépôt de 5 Å S ⁻¹ . La surface active de ces OPD était de 0,02 cm ² .

Caractérisation de l'appareil

L'absorption ultraviolet-visible (UV-Vis) a été mesurée en utilisant un système de spectroscopie UV-Vis Shimazu UV1700. La photoluminescence à l'état d'équilibre (PL) a été mesurée en utilisant une spectroscopie Hitachi F-7000 PL. Les morphologies de surface des couches actives ont été caractérisées au microscope à force atomique (AFM, AFM 5500, Agilent, Tapping Mode, Chengdu, Chine). Une source lumineuse a été utilisée comme simulateur solaire AM 1,5 G avec une puissance d'éclairage de 100 mW cm ⁻² . Le courant densité-tension (J-V ) les courbes des OPD dans l'obscurité et sous éclairage ont été mesurées avec une source de tension-courant programmable Keithley 4200. Les spectres EQE ont été obtenus sous une lumière de lampe au xénon passant à travers un monochromateur. Tous les paramètres ont été mesurés à température ambiante (T = 300 k).

Résultats et discussion

Caractérisation des couches actives

Les spectres d'absorption du P3HT pur, PC₇₁ Les films BM et ITIC sont présentés sur la figure 2a. PC₇₁ BM peut absorber la courte longueur d'onde de 350 nm à 550 nm. P3HT peut utiliser la lumière dans la longueur d'onde moyenne de 450 nm à 600 nm. Et l'accepteur d'électrons non fullerène, ITIC, peut réaliser l'absorption de 600 nm à 800 nm. De toute évidence, ces trois matériaux de couche active permettent d'obtenir une complémentarité favorable dans le spectre visible complet. Ainsi, les films de mélange ont le potentiel super excellent de réaliser une photodétection entièrement visible. De plus, les spectres d'absorption des couches actives (P3HT:PC₇₁ BM:ITIC) avec des ratios différents sont représentés sur la figure 2b. P3HT : PC₇₁ Les films BM présentent une capacité d'absorption de lumière favorable de 400 nm à 600 nm, mais il n'y a presque aucune absorption dans la région des ondes longues après 600 nm. Après l'introduction d'ITIC, un nouveau pic d'absorption est généré de 600 nm à 750 nm en raison de la contribution d'ITIC. Avec l'augmentation progressive de l'incorporation d'ITIC, la capacité d'absorption des films de mélange dans la longue longueur d'onde augmente progressivement, ce qui est bénéfique pour élargir le spectre de détection de longue longueur d'onde de P3HT:PC₇₁ Système de contrôle BM. De plus, l'intensité d'absorption aux longueurs d'onde courtes et longues peut être réglée efficacement en faisant varier les rapports de PC₇₁ BM et ITIC. En particulier, une intensité d'absorption équilibrée est obtenue lorsque le rapport de masse de la couche active est de 1:0,5:0,5, ce qui est évidemment bénéfique pour équilibrer la photodétection des OPD dans les longueurs d'onde courtes et longues simultanément et réaliser les OPD à large bande avec une photodétection entièrement visible.

un Absorption de P3HT pur, PC₇₁ BM, et ITIC films. b Spectres d'absorption des couches actives avec différents ratios

Pour étudier l'influence de l'introduction d'ITIC sur le transfert d'énergie dans les couches actives, des tests de photoluminescence (PL) en régime permanent ont été effectués. Comme le montre la figure 3a, lorsqu'ils sont excités par une lumière à 500 nm, les films P3HT et ITIC nets présentent des pics de PL à 640 nm et 760 nm, respectivement. Par rapport au film P3HT pur, l'intensité PL du P3HT est fortement éteinte dans le film P3HT:ITIC, ce qui indique l'existence d'un transfert d'énergie entre P3HT et ITIC [22]. De même, l'émission PL de P3HT est fortement atténuée par dopage au PC₇₁ BM dans le P3HT:PC₇₁ Film BM, qui indique un transfert d'énergie analogique efficace entre P3HT et PC₇₁ BM. De plus, lors de l'introduction d'ITIC au P3HT:PC₇₁ Film de mélange BM, l'intensité PL est presque complètement éteinte et la courbe PL du film de mélange ternaire est inférieure à toutes les autres courbes. Cela signifie que ITIC et PC₇₁ BM peut transférer de manière coordonnée l'énergie dans des films ternaires. Il est conclu que l'efficacité de transfert d'énergie des films ternaires est meilleure que celle des films binaires. Combiné au fait que le premier a une plage d'absorption lumineuse plus large que le second pour capturer plus de photons pour contribuer au photocourant, il indique P3HT:PC₇₁ Les OPD BM:ITIC peuvent avoir un photocourant plus élevé que P3HT:PC₇₁ BM OPD en théorie.

un Spectres PL de films sous excitation lumineuse de 500 nm. b J-V caractéristiques des appareils à électrons uniquement

Pour étudier l'influence des propriétés de transport des porteurs de charge par l'introduction de l'ITIC, le modèle de courant à charge limitée (SCLC) a été adopté pour la quantification de la mobilité. Les dispositifs à électrons uniquement ont été fabriqués avec la structure ITO/ZnO (30 nm)/P3HT:PC₇₁ BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm). Le SCLC est décrit par l'équation de Mott-Gurney [23] :

où ε ₀ est la permittivité du vide, ε est la permittivité relative des matériaux organiques, μ est la mobilité du porteur de charge, V est la tension appliquée, et d est l'épaisseur des couches actives. J-V les caractéristiques dans l'obscurité pour les dispositifs à électrons seuls avec différentes couches actives sont présentées sur la figure 3b. Selon l'éq. (1), la mobilité électronique des appareils avec des rapports différents est de 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 , et 4,43 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , respectivement. Avec l'augmentation de la proportion d'ITIC, la mobilité électronique de l'appareil diminue de manière significative puisque la mobilité électronique d'ITIC est inférieure à PC₇₁ BM [24], ce qui peut entraîner une diminution du courant d'obscurité des OPD après l'introduction de l'ITIC [25].

Pour les OPD, la morphologie de surface de la couche active a une grande influence sur le transport de charge et la dissociation des excitons. Une couche active avec une morphologie de surface favorable peut inhiber la recombinaison des charges et améliorer le photocourant [26]. Par conséquent, les morphologies de surface des couches actives avec différents rapports sont étudiées par microscopie à force atomique (AFM), qui sont représentées sur la figure 4. Selon l'image de hauteur, la surface du P3HT :PC₇₁ BM :Le film ITIC (1:1:0) est un peu rugueux et la rugosité de la moyenne quadratique (RMS) est d'environ 0,932 nm. À partir de l'image de phase, nous pouvons voir que l'arrangement des molécules n'est pas complètement uniforme et ordonné. Après avoir dopé une partie d'ITIC au mélange (1:0,7:0,3, 1:0,5:0,5, 1:0,3:0,7), la morphologie de surface de la couche active change fortement et la rugosité RMS descend à 0,690 nm, 0,634 nm, et 0,701 nm, respectivement. La variation de RMS peut être attribuée au changement d'état d'agrégation, comme le montrent les diagrammes de phase. Par rapport au P3HT:PC₇₁ Film binaire BM, les films de mélange dopés ITIC présentent une surface plus lisse et un arrangement moléculaire plus ordonné. Cependant, lorsque le rapport du mélange devient 1:0:1, la rugosité RMS augmente jusqu'à 1,386 nm et la morphologie du film n'est pas assez lisse en raison d'une agrégation moléculaire granulaire indésirable, ce qui peut entraîner une augmentation de la recombinaison de charge et un faible photocourant. Selon les résultats de la caractérisation AFM, les films de mélange ternaires ont de meilleures caractéristiques morphologiques que les films binaires, qui sont dues à l'arrangement ordonné des molécules des deux accepteurs, réduisant l'agrégation moléculaire dans les films ternaires.

Images de hauteur AFM (a –e ) et des images de phase (f –j ) de P3HT : PC₇₁ BM:Couches actives ITIC avec différents ratios

Selon les spectres d'absorption des couches actives, la bande d'absorption à grande longueur d'onde de l'ITIC introduit devrait être capable d'élargir efficacement la plage de photodétection à grande longueur d'onde des OPD. De plus, l'introduction de l'ITIC modifie également les propriétés électriques et la morphologie de surface des couches actives. Du point de vue du SCLC, l'introduction des ITIC réduit la mobilité électronique de la couche active, ce qui évidemment réduirait la capacité de transport de porteurs des dispositifs. Cela aurait le même effet néfaste sur le courant d'obscurité et le photocourant. Cependant, l'introduction de l'ITIC permet également à la couche active de capturer plus de photons de grande longueur d'onde pour contribuer au photocourant, ce qui surmonte l'effet néfaste de la faible mobilité des électrons sur le photocourant dans des conditions de lumière. Une meilleure morphologie du film et un transfert d'énergie plus efficace dans la couche active ternaire sont également bénéfiques à l'excellent photocourant. En conclusion, le courant d'obscurité diminuera avec l'ajout d'ITIC, tandis que le photocourant changera régulièrement sous l'influence de divers facteurs. Par conséquent, il est nécessaire de préparer des OPD construits par des couches actives avec des rapports différents pour déterminer le photocourant élevé et le courant d'obscurité faible, afin d'obtenir d'excellentes performances de photodétection.

Performance des OPD

La figure 5 montre les paramètres de performance électrique des OPD avec différents ratios de couches actives. Le J-V les courbes des OPD dans des conditions de lumière et d'obscurité sont présentées sur la figure 5a. Comme indiqué, les OPD avec différents rapports de masse de couche active ont un photocourant et un courant d'obscurité significativement différents. Concrètement, comme le P3HT:PC₇₁ Le rapport BM:ITIC passe de 1:1:0 à 1:0,5:0,5, le photocourant continue d'augmenter, ce qui est causé par une plage de capture de lumière étendue, un transfert d'énergie efficace et une meilleure morphologie du film dans les mélanges ternaires. Inversement, comme le P3HT:PC₇₁ Le rapport BM:ITIC passe de 1:0,5:0,5 à 1:0:1, le photocourant continue de baisser. Cependant, le courant d'obscurité continue de diminuer à mesure que le rapport ITIC augmente, ce qui est attribué à la mobilité réduite des électrons et au transport défavorable des porteurs de charge causés par l'ajout excessif de l'ITIC. La tendance changeante du photocourant et du courant d'obscurité est cohérente avec le changement des propriétés du film causé par le changement des rapports ternaires des couches actives. Les caractéristiques des rapports marche/arrêt des OPD sont étudiées sur la figure 5b. Les OPD 1:0,5:0,5 présentent les rapports marche/arrêt les plus élevés dans la région de polarisation inverse que les autres OPD, démontrant une bien meilleure propriété de commutation, qui est due au photocourant le plus élevé et au courant d'obscurité plus faible.

un J -V caractéristiques des OPD avec divers rapports dans des conditions sombres et lumineuses. b Ratios marche/arrêt des OPD. c Caractéristiques de réponse/récupération des OPD sous légère modulation marche/arrêt. d J _SC des OPD en fonction de l'intensité lumineuse

De plus, pour s'assurer que les OPD ont une capacité de réponse stable et récupérable, la densité de courant en fonction du temps est indiquée sur la figure 5c pour les OPD à large bande avec divers rapports. Les signaux de courant cyclique ont été enregistrés lors de la modulation marche/arrêt de l'éclairage lumineux. Chaque cycle dure 20 s avec un temps d'exposition de 10 s et la durée totale est de 120 s. Les résultats montrent que le courant de chaque OPD augmente considérablement sous l'éclairage et revient au niveau d'origine une fois la lumière éteinte. Il est évident que ces OPD ont des caractéristiques de réponse/récupération stables et reproductibles, ce qui est souhaitable pour les applications pratiques [27].

Pour étudier plus en détail l'influence du rapport ITIC sur la recombinaison des OPD dans des conditions de luminosité, J _SC en fonction de l'intensité lumineuse est tracée. En général, une dépendance en loi de puissance entre J _SC et Je peut être exprimé par J _SC ∝Je ^α . Lorsque α tend vers 1, la recombinaison bimoléculaire est relativement faible [28, 29]. Comme le montre la figure 5d, les OPD avec le rapport 1:1:0, 1:0,7:0,3 et 1:0,5:0,5 ont des valeurs similaires, qui sont respectivement de 0,817, 0,797 et 0,803. Cela signifie que ces trois OPD ont un niveau similaire de recombinaison bimoléculaire. Cependant, en raison de l'introduction de l'ITIC, davantage de photons de grande longueur d'onde sont absorbés dans les couches actives ternaires, de sorte que le photocourant des OPD à dopage modéré ITIC est supérieur à celui du P3HT:PC₇₁ BM OPD. En changeant davantage les rapports ternaires en 1:0,3:0,7 et 1:0:1, les valeurs de chutent à 0,713 et 0,680, respectivement. Cela indique que la grande quantité de dopage ITIC intensifie la recombinaison et réduit considérablement le photocourant.

Afin de décrire les caractéristiques de réponse spectrale des OPD, les courbes EQE des OPD avec différents P3HT :PC₇₁ BM :les ratios ITIC sont montrés sur la figure 6a. Et certains paramètres de performance de détection spectrale à différentes longueurs d'onde spécifiques sont répertoriés dans le tableau 1. L'appareil basé sur le binaire P3HT:PC₇₁ Le film BM montre un pic EQE plat couvrant les plages de 400 à 600 nm, attribué à l'absorption de P3HT et de PC₇₁ BM. Après introduction du non-fullerène, ITIC, dans P3HT:PC₇₁ BM, la courbe EQE des OPD à large bande s'étend jusqu'à 760 nm, et un nouveau pic spectral de 650 nm à 750 nm est généré. De plus, l'intensité de réponse relative des différentes gammes spectrales peut être ajustée en modifiant les rapports de masse de P3HT, PC₇₁ BM et ITIC. A partir des courbes EQE, la synergie entre le donneur et les accepteurs à un rapport de masse optimal, 1:0,5:0,5, équilibre l'EQE de toute la longueur d'onde. La courbe EQE large et plate montre intuitivement que les OPD à large bande dopés avec ITIC étendent efficacement la plage de réponse optique continue à la plage des ondes longues, couvrant tout le spectre visible de 380 à 760 nm.

un Spectres EQE mesurés des OPD avec divers rapports. b R calculé valeurs des OPD. c D calculé * valeurs des OPD

Réactivité (R ) décrit la capacité de conversion des photons en porteurs de charge des OPD, qui est utilisée pour déterminer la capacité de réponse lumineuse [30]. R est calculé comme l'Eq. (2) :

où EQE est l'efficacité quantique externe, q est la charge électronique, λ est la longueur d'onde de la lumière incidente, h est la constante de Planck, et v est la fréquence de la lumière. Selon l'éq. (2), la tendance de R dépend de l'EEQ et de λ lorsque les autres paramètres sont constants. Les résultats calculés de R les valeurs sont indiquées dans la figure 6b et le tableau 1. De la même manière que les courbes EQE, les OPD basés sur 1:0,5:0,5 obtiennent un R plus élevé que les autres OPD à la fois dans la plage de longueur d'onde longue et courte. Le R les valeurs d'optimisation des OPD à large bande ont atteint 0,21 A W ⁻¹ et 0,25 A W ⁻¹ à 560 nm et 710 nm, respectivement. Le large R La courbe indique que les OPD à large bande dopés avec une quantité appropriée d'ITIC peuvent absorber uniformément la lumière incidente de tout le spectre visible et la convertir efficacement en photocourant.

En tant que paramètre de performance le plus crucial des OPD, le D * est utilisé pour déterminer la photosensibilité des OPD. Le D * des OPD peuvent être définis comme l'Eq. (3) :

Les résultats calculés de D * sont illustrés à la Fig. 6c. Pour les OPD de contrôle basés sur P3HT:PC₇₁ BM, la détectivité dépasse 1,0 × 10 ¹² Jones de 380 nm à 600 nm et atteint 1,67 × 10 ¹² Jones à 560 nm. À titre de comparaison, le dopage des OPD par ITIC a étendu la plage de photodétection efficace au spectre visible complet de 380 à 760 nm. Plus précisément, la détectivité des OPD obtenus avec un rapport de 1:0,5:0,5 a atteint 2,12 × 10 ¹² Jones et 2,67 × 10 ¹² Jones à 560 nm et 710 nm, respectivement. D'une part, la gamme de photodétection des OPD a été élargie par l'ajout d'ITIC. D'un autre côté, la détectivité de l'optimisation des OPD dans tout le spectre visible est supérieure à celle des autres OPD, ce qui est causé par un photocourant élevé et un faible courant d'obscurité au rapport d'optimisation de la couche active.

Conclusions

En résumé, les OPD hautes performances avec photodétection de lumière visible complète sont fabriqués en introduisant un accepteur non fullerène d'ITIC dans le P3HT:PC₇₁ Système de contrôle BM. Les trois matériaux forment le spectre complémentaire, qui ensemble réalisent efficacement un photodétecteur à large bande couvrant tout le spectre visible. De plus, les OPD avec un rapport approprié de P3HT:PC₇₁ BM:ITIC présente une meilleure capacité de récolte de photons, un courant d'obscurité plus faible, un transfert d'énergie plus efficace et une morphologie de film plus favorable pour améliorer la détectivité. Remarquablement, notre approche est concise, hautement reproductible et évolutive. Notre travail indique que le choix d'un accepteur d'électrons non fullerène et d'un système binaire appropriés pour construire la couche active du spectre d'absorption de lumière complémentaire est une méthode efficace pour obtenir des OPD à large bande hautes performances, qui seront largement applicables dans les recherches futures.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

BHJ :

Hétérojonction en vrac

Bphen :

Bathophénanthroline

D* :

Détective

EQE : :

Efficacité quantique externe

HOMO :

L'orbitale moléculaire occupée la plus élevée

ITIC :

3,9-Bis(2-méthylène-(3-(1,1dicyanométhylène)-indanone))-5,5,11,11-tétrakis(4-hexylphényl)-dithiéno[2,3d:2,3′-d ′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophène

ITO :

Oxyde d'indium-étain

J _d :

Densité de courant d'obscurité

J-V :

La densité-tension actuelle

LUMO :

L'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse

OPD :

Photodétecteurs organiques

OSC :

Cellules solaires organiques

P3HT :

Poly(3-hexylthiophène-2,5-diyle)

PC₇₁ BM :

Ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C71-butyrique

PEDOT : PSS :

Poly(3,4-éthylènedioxythiophène):sulfonate de polystyrène

PL :

Photoluminescence en régime permanent

RMS :

Racine moyenne quadratique

UV-Vis :

Spectroscopie ultraviolet-visible