Photodétecteurs organiques large bande visible atteignant >10¹² Jones avec un accepteur non‑fullerène

Résumé

Nous démontrons des photodétecteurs organiques (OPD) large bande visible en introduisant un accepteur non‑fullerène, le 3,9‑bis(2‑méthylène‑(3‑(1,1‑dicyanométhylène)‑indanone))‑5,5,11,11‑tétrakis(4‑hexylphényl)‑dithiéno[2,3‑d:2,3′‑d′]‑s‑indacéno[1,2‑b:5,6‑b′]‑dithiophène (ITIC), dans l'hétérojonction en vrac (BHJ) basée sur le système conventionnel poly(3‑hexylthiophène‑2,5‑diyl) (P3HT) : [6,6]‑phényl C71‑butyrique acide méthyl ester (PC₇₁BM). Les OPD résultants présentent une détectivité spécifique au‑delà de 10¹² Jones sur toute la région visible de 380 nm à 760 nm, la détectivité la plus élevée atteignant 2,67 × 10¹² Jones à 710 nm. Le spectre d'absorption UV‑Vis, la photoluminescence à l'état stationnaire, la microscopie à force atomique et les propriétés de courant limité par charge d'espace ont été utilisés pour analyser les caractéristiques des films des OPD obtenus. Grâce à la bande d'absorption à longue longueur d'onde de l'ITIC, la gamme de photodétection spectrale a été efficacement élargie, et une meilleure morphologie de film, un transfert d'énergie plus efficace et la mobilité électronique réduite dans la couche active sont responsables de l'excellente capacité de photodétection. Le schéma proposé fournit une stratégie fiable pour mettre en œuvre des OPD visible large bande haute performance.

Introduction

La lumière visible, en tant que partie du spectre électromagnétique directement perçue par la vision humaine (380–780 nm), joue un rôle important dans la vie quotidienne et la production industrielle [1]. La télédétection visible est la plus couramment utilisée en reconnaissance photographique aérienne. La détection d'images couleur est aussi 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, suscitant ainsi une attention extensive et continue [3]. Par conséquent, la recherche de photodétecteurs visibles haute performance est impérative et d'une grande importance. Comparés aux photodétecteurs inorganiques traditionnels, les photodétecteurs organiques (OPD) ont attiré une attention considérable pour les applications en électronique flexible et portable grâce à leur flexibilité, absorption ajustable, légèreté, détection grande surface et faible coût de préparation [4]. Ces dernières années, bien que les OPD aient réalisé certains progrès en efficacité quantique externe élevée [5], densité de courant noir faible [6] et détectivité élevée [7], il y a encore peu de tentatives de recherche pour investiguer des OPD large bande haute performance avec photodétection visible complète jusqu'à présent.

La récolte de lumière efficace et la large gamme d'absorption sont d'une importance cruciale dans les OPD large bande. Par conséquent, de nombreux matériaux donneurs et accepteurs avec différents gaps de bande ont été développés et de nombreux systèmes hétérojonctions donneur/accepteur classiques ont été construits au cours des recherches passées [8]. Parmi eux, l'hétérojonction en vrac (BHJ) poly(3‑hexylthiophène) (P3HT) : phényl‑C71‑butyrique acide méthyl ester (PC₇₁BM) a été largement étudiée dans les dispositifs photovoltaïques organiques, en raison de sa mobilité de porteurs relativement élevée, performance stable, structure simple, faible coût et processus de préparation mature [9, 10]. Néanmoins, bien que la réponse spectrale de P3HT:PC₇₁BM couvre 400–600 nm, elle n'est pas assez large pour constituer une photodétection visible complète, à cause de l'absence de la région à longue longueur d'onde. Il est donc nécessaire de trouver une méthode efficace pour élargir la gamme de réponse spectrale du système conventionnel P3HT:PC₇₁BM. Similaire aux cellules solaires organiques (CSO) [11, 13,7 % en intégrant les avantages des matériaux et 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], l'introduction d'un troisième matériau dans la couche active est l'une des méthodes les plus efficaces et simples pour réaliser des OPD large bande avec gamme de photodétection étendue et excellente performance [13]. Par exemple, Rauch et al. ont développé le BHJ P3HT:PC₇₁BM où des points quantiques PbS comme composant introduit, ont étendu avec succès la gamme de détection des OPD à 1800 nm [14]. Mario Caironi et al. ont développé les OPD T1:P3HT:PC₇₁BM avec réponse large bande 360–680 nm en introduisant un donneur d'électrons à absorption moyennement longue 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 large préoccupation dans la recherche de dispositifs photovoltaïques [16, 17]. Comparés aux accepteurs dérivés du fullerène conventionnels, les accepteurs non‑fullerènes ont une absorption diversifiée et forte, ce qui en fait de meilleures options pour être introduits dans le système traditionnel comme troisième composant [18]. Par exemple, Tan et al. ont développé un dispositif à accepteur ternaire en dopant l'ITIC dans le mélange PBDTBDD:PC₆₀BM pour atteindre une absorption complémentaire parfaite et un PCE élevé de 10,36 % [19]. De plus, la caractéristique distinctive de l'ITIC est la réponse spectrale à longue onde de 600–800 nm, comparée à la réponse courte et moyenne inhérente aux dérivés fullerènes traditionnels. Par conséquent, l'ITIC peut être approprié pour une combinaison avec le BHJ P3HT:PC₇₁BM ayant une réponse de 400–600 nm, ce qui peut étendre la gamme de photodétection vers la région à longue onde pour réaliser une photodétection efficace du spectre visible complet en continu.

Ainsi, dans ce travail, l'ITIC est introduit pour la première fois dans le système conventionnel P3HT:PC₇₁BM pour former des OPD large bande. Comparés aux OPD de contrôle P3HT:PC₇₁BM, les mélanges ternaires atteignent une réponse spectrale plus large. Par ailleurs, en ajustant les rapports d'ITIC et PC₇₁BM respectivement, des OPD large bande couvrant la bande visible complète de 380 nm à 760 nm sont obtenus, comparés à la bande de photodétection originale de 380–620 nm. De plus, grâce à la région de récolte de lumière plus large, une meilleure morphologie de film, un transfert d'énergie plus efficace et le courant noir plus faible, les OPD optimisés présentent une détectivité élevée de 2,12 × 10¹² Jones et 2,67 × 10¹² Jones à 560 nm et 710 nm, respectivement.

Méthodes

Les structures moléculaires des matériaux de couche active utilisés dans ce travail sont montrées Fig. 1a, et la structure des OPD large bande d'oxyde d'étain‑indium (ITO) / poly(3,4‑éthylènedioxythiophène) : polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS) (45 nm) / P3HT:PC₇₁BM:ITIC (100 nm) / Bphen (5 nm) / Ag (80 nm) est dépeinte Fig. 1b. Les niveaux d'énergie des matériaux de couche active dans les OPD large bande sont montrés Fig. 1c. L'orbitale moléculaire la plus basse inoccupée (LUMO) et l'orbitale moléculaire la plus haute occupée (HOMO) de P3HT, ITIC et PC₇₁BM suivent un alignement en cascade normatif, indiquant un chemin de transport de charge potentiellement efficace entre eux. Le Bphen est utilisé comme couche tampon pour améliorer la capacité de transport des porteurs de charge et réduire le quenching des excitons photo à l'interface entre la couche active et la cathode [20]. Sinon, le HOMO de Bphen est plus haut que les matériaux actifs, ce qui peut servir de couche de blocage de trous pour réduire le courant noir sous polarisation inverse.

Photodétecteurs organiques large bande visible atteignant 10¹² Jones avec un accepteur non‑fullerène

Avant de commencer la fabrication des OPD, les substrats ITO étaient nettoyés consécutivement dans un bain ultrasonique pendant 10 min chacun avec solution eau‑détergent, solvant acétone, eau déionisée et solvant IPA, respectivement [21]. Après séchage au four, ces substrats ITO étaient traités par plasma d'oxygène pendant 20 min. Ensuite, PEDOT:PSS était déposé par essorage à 3000 tr/min pendant 60 s sur substrats ITO. Après recuit thermique à 150 °C pendant 20 min, les substrats étaient transférés dans une boîte à gants haute pureté (O₂, H₂O < 1 ppm). P3HT, PC₇₁BM et ITIC étaient dissous dans le chlorobenzène avec différents rapports massiques. La concentration totale de ces matériaux était fixée à 30 mg ml⁻¹, et le rapport massique du mélange donneur (P3HT) et accepteurs (PC₇₁BM, ITIC) était fixé à 1:1. Les solutions de couche active étaient déposées par essorage sur la couche PEDOT:PSS à 2000 tr/min pendant 60 s. Ensuite, les films de mélange étaient recuits à 120 °C pendant 10 min. Suivi du 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 cm².

Caractérisation des dispositifs

L'absorption ultraviolet‑visible (UV‑Vis) était mesurée à l'aide d'un système de spectroscopie UV‑Vis Shimazu UV1700. La photoluminescence à l'état stationnaire (PL) était mesurée à l'aide d'un spectroscopie PL Hitachi F‑7000. Les morphologies de surface des couches actives étaient caractérisées par microscope à force atomique (AFM, AFM 5500, Agilent, Mode Tapping, Chengdu, Chine). Une source lumineuse était utilisée comme simulateur solaire AM 1,5 G avec une puissance d'illumination de 100 mW cm⁻². Les courbes densité de courant‑tension (J‑V) des OPD dans le noir et sous illumination étaient mesurées avec une source de tension‑courant programmable Keithley 4200. Les spectres EQE étaient obtenus sous une lampe xénon passant par un monochromateur. Tous les paramètres étaient mesurés à température ambiante (T = 300 K).

Résultats et discussion

Caractérisation des couches actives

Les spectres d'absorption des films purs de P3HT, PC₇₁BM et ITIC sont affichés Fig. 2a. PC₇₁BM peut absorber les courtes longueurs d'onde de 350 nm à 550 nm. P3HT peut utiliser la lumière dans les longueurs d'onde moyennes de 450 nm à 600 nm. Et l'accepteur d'électrons non‑fullerène, ITIC, peut réaliser l'absorption de 600 nm à 800 nm. Évidemment, ces trois matériaux de couche active réalisent un complément favorable sur tout le spectre visible. Ainsi, les films de mélange ont un potentiel superexcellent pour réaliser une photodétection visible complète. De plus, les spectres d'absorption des couches actives (P3HT:PC₇₁BM:ITIC) avec différents rapports sont dépeints Fig. 2b. Les films P3HT:PC₇₁BM montrent une capacité d'absorption favorable de 400 nm à 600 nm, mais il y a presque pas d'absorption dans la région à longue onde après 600 nm. Après introduction de l'ITIC, un nouveau pic d'absorption est généré de 600 nm à 750 nm grâce à la contribution de l'ITIC. Avec l'augmentation graduelle de l'incorporation d'ITIC, la capacité d'absorption des films de mélange dans le long onde augmente progressivement, ce qui est bénéfique pour élargir le spectre de détection à long onde du système de contrôle P3HT:PC₇₁BM. En outre, l'intensité d'absorption aux courtes et longues longueurs d'onde peut être efficacement ajustée en variant les rapports de PC₇₁BM et ITIC. En particulier, une intensité d'absorption équilibrée est atteinte lorsque le rapport massique de la couche active est 1:0,5:0,5, ce qui est évidemment bénéfique pour équilibrer la photodétection des OPD aux courtes et longues longueurs d'onde simultanément et réaliser les OPD large bande avec photodétection visible complète.

Pour étudier l'influence de l'introduction de l'ITIC sur le transfert d'énergie dans les couches actives, des tests de photoluminescence à l'état stationnaire (PL) ont été effectués. Comme montré Fig. 3a, lorsqu'excités par lumière 500 nm, les films purs P3HT et ITIC présentent des pics PL à 640 nm et 760 nm, respectivement. Comparé au film pur P3HT, l'intensité PL de P3HT est fortement quenchée dans le film P3HT:ITIC, ce qui indique l'existence d'un transfert d'énergie entre P3HT et ITIC [22]. Similairement, l'émission PL de P3HT est fortement quenchée par dopage avec PC₇₁BM dans le film P3HT:PC₇₁BM, indiquant un transfert d'énergie analogue efficace entre P3HT et PC₇₁BM. De plus, lors de l'introduction de l'ITIC dans le film de mélange P3HT:PC₇₁BM, l'intensité PL est presque complètement quenchée, et la courbe PL du film de mélange ternaire est en dessous de toutes les autres courbes. Cela signifie que tanto l'ITIC que PC₇₁BM peuvent transférer l'énergie de manière coordonnée dans les films ternaires. On conclut 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 gamme d'absorption plus large que le second pour capturer plus de photons contribuant au photocourant, cela indique que les OPD P3HT:PC₇₁BM:ITIC peuvent avoir un photocourant plus élevé que les OPD P3HT:PC₇₁BM en théorie.

Pour étudier l'influence des propriétés de transport de porteurs de charge par l'introduction de l'ITIC, le modèle de courant limité par charge d'espace (SCLC) a été adopté pour quantifier la mobilité. Les dispositifs à électrons seulement étaient fabriqués avec la structure ITO/ZnO (30 nm) / P3HT:PC₇₁BM:ITIC (100 nm) / Bphen (5 nm) / Ag (80 nm). Le SCLC est décrit par l'équation de Mott–Gurney [23] :

$$ J=\frac{9}{8}{\varepsilon \varepsilon}_0\mu \frac{V^2}{d^3} $$ (1)

où ε₀ est la permittivité du vide, ε est la permittivité relative des matériaux organiques, μ est la mobilité des porteurs de charge, V est la tension appliquée, et d est l'épaisseur des couches actives. Les caractéristiques J‑V en condition noire pour les dispositifs à électrons seulement avec différentes couches actives sont montrées Fig. 3b. Selon l'Éq. (1), les mobilités électroniques des dispositifs avec différents rapports sont 1,48 × 10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹, 8,92 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹, 7,89 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹, 4,75 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ et 4,43 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹, respectivement. Avec l'augmentation de la proportion d'ITIC, la mobilité électronique du dispositif diminue significativement puisque la mobilité électronique de l'ITIC est plus faible que PC₇₁BM [24], ce qui peut causer la diminution du courant noir 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 d'excitons. Une couche active avec une morphologie de surface favorable peut inhiber la recombinaison de charge et améliorer le photocourant [26]. Donc, les morphologies de surface des couches actives avec différents rapports sont étudiées par microscopie à force atomique (AFM), qui sont dépeintes Fig. 4. Selon l'image de hauteur, la surface du film P3HT:PC₇₁BM:ITIC (1:1:0) est un peu rugueuse et la rugosité quadratique moyenne (RMS) est d'environ 0,932 nm. D'après l'image de phase, on voit que l'arrangement des molécules n'est pas complètement uniforme et ordonné. Après dopage d'une portion d'ITIC dans le 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 grandement et la rugosité RMS descend à 0,690 nm, 0,634 nm et 0,701 nm, respectivement. La variation de RMS peut être attribuée à l'état d'agrégation changé, comme visible sur les diagrammes de phase. Comparé au film binaire P3HT:PC₇₁BM, 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 à 1,386 nm et la morphologie du film n'est pas assez lisse causée par une agrégation moléculaire indésirable granulaire, ce qui peut mener à une augmentation de la recombinaison de charge et un faible photocourant. Selon les résultats de caractérisation AFM, les films de mélange ternaire ont de meilleures caractéristiques morphologiques que les films binaires, dues à l'arrangement ordonné des molécules des deux accepteurs, réduisant l'agrégation moléculaire dans les films ternaires.

Selon les spectres d'absorption des couches actives, la bande d'absorption à longue longueur d'onde de l'ITIC introduit devrait pouvoir élargir efficacement la gamme de photodétection à long onde des OPD. De plus, l'introduction de l'ITIC change aussi les propriétés électriques et la morphologie de surface des couches actives. Du point de vue SCLC, l'introduction de l'ITIC réduit la mobilité électronique de la couche active, ce qui réduirait évidemment la capacité de transport de porteurs des dispositifs. Cela aurait le même effet défavorable sur le courant noir et le photocourant. Cependant, l'introduction de l'ITIC permet aussi à la couche active de capturer plus de photons à longue longueur d'onde pour contribuer au photocourant, ce qui surmonte l'effet défavorable de la faible mobilité électronique sur le photocourant sous illumination. Une meilleure morphologie de film et un transfert d'énergie plus efficace dans la couche active ternaire sont aussi bénéfiques à l'excellent photocourant. En conclusion, le courant noir diminuera avec l'addition 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 couches actives avec différents rapports pour déterminer le haut photocourant et le bas courant noir, afin d'atteindre une excellente performance de photodétection.

Performance des OPD

La Figure 5 montre les paramètres de performance électrique des OPD avec différents rapports de couches actives. Les courbes J‑V des OPD sous conditions lumineuses et sombres sont présentées Fig. 5a. Comme montré, les OPD avec différents rapports massiques de couche active ont des photocourants et courants noirs significativement différents. Concrètement, alors que le rapport P3HT:PC₇₁BM:ITIC change de 1:1:0 à 1:0,5:0,5, le photocourant continue d'augmenter, causé par l'élargissement de la gamme de récolte de lumière, le transfert d'énergie efficace et la meilleure morphologie de film dans les mélanges ternaires. Inversement, alors que le rapport change de 1:0,5:0,5 à 1:0:1, le photocourant continue de baisser. Cependant, le courant noir continue de diminuer à mesure que le rapport ITIC augmente, ce qui est attribué à la mobilité électronique réduite et au transport de porteurs défavorable causé par l'addition excessive d'ITIC. La tendance de changement du photocourant et du courant noir est cohérente avec le changement des propriétés de film causé par le changement des rapports ternaires des couches actives. Les caractéristiques de rapport marche/arrêt des OPD sont investiguées Fig. 5b. Les OPD 1:0,5:0,5 montrent les plus hauts rapports marche/arrêt dans la région de polarisation inverse que les autres OPD, démontrant une propriété de commutation bien meilleure, due au photocourant le plus haut et courant noir plus bas.

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 montrée Fig. 5c pour les OPD large bande avec divers rapports. Les signaux de courant cycliques étaient enregistrés lors de la modulation marche/arrêt de l'illumination. Chaque cycle est de 20 s avec un temps d'exposition de 10 s et la durée totale est 120 s. Les résultats montrent que le courant de chaque OPD augmente significativement sous illumination et revient au niveau original après extinction de la lumière. Il est évident que ces OPD ont des caractéristiques de réponse/récupération stables et répétables, ce qui est souhaitable pour les applications pratiques [27].

Pour investiguer davantage l'influence du rapport ITIC sur la recombinaison des OPD en condition lumineuse, J_SC en fonction de l'intensité lumineuse est tracé. En général, une dépendance en loi de puissance entre J_SC et I peut s'exprimer comme J_SC ∝ I^α. Quand α approche 1, la recombinaison bimoléculaire est relativement faible [28, 29]. Comme montré Fig. 5d, les OPD avec rapports 1:1:0, 1:0,7:0,3 et 1:0,5:0,5 ont des valeurs α similaires, qui sont 0,817, 0,797 et 0,803, respectivement. Cela signifie que ces trois OPD ont un niveau similaire de recombinaison bimoléculaire. Cependant, grâce à l'introduction de l'ITIC, plus de photons à longue onde sont absorbés dans les couches actives ternaires, de sorte que le photocourant des OPD avec dopage modéré d'ITIC est plus grand que celui des OPD P3HT:PC₇₁BM. En changeant davantage les rapports ternaires à 1:0,3:0,7 et 1:0:1, les valeurs α chutent à 0,713 et 0,680, respectivement. Cela indique que le dopage important d'ITIC intensifie la recombinaison et réduit significativement le photocourant.

Afin de décrire les caractéristiques de réponse spectrale des OPD, les courbes EQE des OPD avec divers rapports P3HT:PC₇₁BM:ITIC sont montrées Fig. 6a. Et certains paramètres de performance de détection spectrale à différentes longueurs d'onde spécifiques sont listés Tableau 1. Le dispositif basé sur film binaire P3HT:PC₇₁BM montre un pic EQE plat couvrant 400–600 nm, attribué à l'absorption de P3HT et PC₇₁BM. Après introduction de l'accepteur non‑fullerène ITIC dans P3HT:PC₇₁BM, la courbe EQE des OPD large bande s'étend 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 changeant les rapports massiques de P3HT, PC₇₁BM et ITIC. D'après les courbes EQE, la synergie entre le donneur et les accepteurs au rapport massique optimal 1:0,5:0,5 équilibre l'EQE de toute la longueur d'onde. La large courbe EQE plate montre intuitivement que les OPD large bande dopés ITIC étendent efficacement la gamme de réponse optique continue vers la région à long onde, couvrant tout le spectre visible de 380–760 nm.

La responsivité (R) décrit la capacité de conversion des photons en porteurs de charge des OPD, utilisée pour déterminer la capacité de réponse à la lumière [30]. R est calculée comme l'Éq. (2) :

$$ R(\lambda)=\frac{EQE(\lambda)q}{hv} $$ (2)

où EQE est l'efficacité quantique externe, q est la charge de l'électron, 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'EQE et λ quand les autres paramètres sont constants. Les résultats calculés des valeurs R sont montrés Fig. 6b et Tableau 1. Similaire aux courbes EQE, les OPD basés 1:0,5:0,5 obtiennent des R plus élevés que les autres OPD aux longueurs d'onde longues et courtes. Les valeurs R des OPD large bande optimisés atteignent 0,21 A W⁻¹ et 0,25 A W⁻¹ à 560 nm et 710 nm, respectivement. La large courbe R indique que les OPD large bande dopés avec une quantité appropriée d'ITIC peuvent absorber la lumière incidente du spectre visible complet uniformément et la convertir en photocourant efficacement.

En tant que paramètre de performance le plus crucial des OPD, le D* est employé pour déterminer la photosensibilité des OPD. Le D* des OPD peut être défini comme l'Éq. (3) :

$$ D\ast(\lambda)=\frac{R(\lambda)}{(2qJ_d)^{1/2}} $$ (3)

Les résultats calculés de D* sont montrés Fig. 6c. Pour les OPD de contrôle basés sur P3HT:PC₇₁BM, la détectivité dépasse 1,0 × 10¹² Jones de 380 nm à 600 nm et atteint 1,67 × 10¹² Jones à 560 nm. Pour comparaison, les OPD dopés par ITIC ont étendu la gamme de photodétection efficace au spectre visible complet de 380–760 nm. Spécifiquement, la détectivité des OPD obtenus avec rapport 1:0,5:0,5 a atteint 2,12 × 10¹² Jones et 2,67 × 10¹² Jones à 560 nm et 710 nm, respectivement. D'une part, la gamme de photodétection des OPD a été élargie par l'addition d'ITIC. D'autre part, la détectivité des OPD optimisés dans le spectre visible complet est plus élevée que celle des autres OPD, causée par le haut photocourant et le faible courant noir au rapport optimal de couche active.

Conclusions

En résumé, des OPD haute performance avec photodétection visible complète sont fabriqués en introduisant un accepteur non‑fullerène ITIC dans le système de contrôle P3HT:PC₇₁BM. Les trois matériaux forment un spectre complémentaire, qui ensemble réalisent efficacement un photodétecteur large bande couvrant tout le spectre visible. De plus, les OPD avec rapport approprié P3HT:PC₇₁BM:ITIC présentent une meilleure capacité de récolte de photons, un courant noir 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 approprié et d'un système binaire pour construire la couche active d'un spectre d'absorption de lumière complémentaire est une méthode efficace pour atteindre des OPD large bande haute performance, qui sera largement applicable dans la recherche future.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

AFM :: Microscope à force atomique
BHJ :: Hétérojonction en vrac
Bphen :: Bathophénanthroline
D* :: Détectivité
EQE :: Efficacité quantique externe
HOMO :: Orbitale moléculaire la plus haute occupée
ITIC :: 3,9‑Bis(2‑méthylène‑(3‑(1,1‑dicyanométhylène)‑indanone))‑5,5,11,11‑tétrakis(4‑hexylphényl)‑dithiéno[2,3‑d:2,3′‑d′]‑s‑indacéno[1,2‑b:5,6‑b′]‑dithiophène
ITO :: Oxyde d'étain‑indium
J_d :: Densité de courant noir
J‑V :: Courant densité‑tension
LUMO :: Orbitale moléculaire la plus basse inoccupée
OPDs :: Photodétecteurs organiques
OSCs :: Cellules solaires organiques
P3HT :: Poly(3‑hexylthiophène‑2,5‑diyl)
PC₇₁BM :: [6,6]‑Phényl C71‑butyrique acide méthyl ester
PEDOT:PSS :: Poly(3,4‑éthylènedioxythiophène) : polystyrène sulfonate
PL :: Photoluminescence à l'état stationnaire
RMS :: Racine carrée moyenne
UV‑Vis :: Spectroscopie ultraviolet‑visible

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