Fotodetectores orgânicos de alto desempenho através da introdução de um aceitador não fulereno para alargar o espectro de detecção de comprimento de onda longo

Resumo

Demonstramos os fotodetectores orgânicos visíveis de banda larga (OPDs) através da introdução de um aceitador não-fulereno de 3,9-bis (2-metileno- (3- (1,1dicianometileno) -indanona)) - 5,5,11,11-tetraquis (4-hexilfenil) -ditieno [2,3d:2,3′-d ′] - s-indaceno [1,2-b:5,6-b ′] ditiofeno (ITIC) na heterojunção em massa (BHJ) com base em um sistema convencional de poli (3-hexiltiofeno-2,5-diil) (P3HT):[6,6] -fenil C71-éster metílico de ácido butírico (PC ₇₁ BM). Os OPDs resultantes exibem uma detectividade específica além de 10 ¹² Jones em toda a região visível variou de 380 nm a 760 nm, e a maior detectividade chega a 2,67 × 10 ¹² Jones a 710 nm. Espectro de absorção de UV-Vis, fotoluminescência em estado estacionário, microscopia de força atômica e propriedade de corrente limitada por carga espacial foram aplicados para analisar as características do filme de OPDs obtidos. Devido à banda de absorção de longo comprimento de onda do ITIC, a faixa de fotodetecção espectral foi ampliada efetivamente e a melhor morfologia do filme, a transferência de energia mais eficaz e a mobilidade reduzida de elétrons na camada ativa são responsáveis pela excelente capacidade de fotodetecção. O esquema proposto fornece uma estratégia confiável para a implementação de OPDs visíveis de banda larga de alto desempenho.

Introdução

A luz visível, como parte do espectro eletromagnético que pode ser percebido diretamente pela visão humana (380-780 nm), desempenha um papel importante na vida diária e na produção industrial [1]. O sensoriamento remoto de luz visível é o mais comumente usado no reconhecimento fotográfico aéreo. A detecção de imagens coloridas também se baseia principalmente na luz visível, etc. [2]. Como ponte entre o sinal óptico e o sinal elétrico, o fotodetector desempenha um papel insubstituível nas aplicações anteriores, causando assim uma atenção extensa e contínua [3]. Portanto, a pesquisa de fotodetectores visíveis de alto desempenho é imperativa e de grande importância. Comparados com os fotodetectores inorgânicos tradicionais, os fotodetectores orgânicos (OPDs) têm atraído muita atenção para aplicações em aplicações eletrônicas flexíveis e portáteis devido à sua flexibilidade, absorção sintonizável, leveza, detecção de grande área e baixo custo de preparação [4]. Nos últimos anos, embora os OPDs tenham feito algumas conquistas em aspectos como alta eficiência quântica externa [5], baixa densidade de corrente escura [6] e alta detectividade [7], existem apenas algumas tentativas de pesquisa para investigar a banda larga de alto desempenho OPDs com fotodetecção totalmente visível até agora.

A coleta de luz eficiente e a ampla faixa de absorção são de importância crucial em OPDs de banda larga. Portanto, muitos materiais doadores e aceitadores com diferentes band gaps foram desenvolvidos e muitos sistemas clássicos de heterojunção doador / aceitador foram construídos no curso de pesquisas anteriores [8]. Entre eles, poli (3-hexiltiofeno) (P3HT):éster metílico do ácido fenil-C71-butírico (PC ₇₁ BM) a heterojunção bulk (BHJ) tem sido amplamente estudada em dispositivos fotovoltaicos orgânicos, devido à sua mobilidade de portadores relativamente alta, desempenho estável, estrutura simples, baixo custo e processo de preparação maduro [9, 10]. No entanto, embora a resposta espectral de P3HT:PC ₇₁ BM cobre 400-600 nm, não é largo o suficiente para constituir fotodetecção totalmente visível, devido à ausência da região de ondas longas. Portanto, é necessário encontrar um método eficaz para expandir a faixa de resposta espectral de P3HT:PC ₇₁ Sistema convencional BM. Semelhante às células solares orgânicas (OSCs) [11, 13,7%, integrando as vantagens dos materiais e duas células binárias. Energy Environ Sci 11:2134-2141 "href =" / articles / 10.1186 / s11671-019-3033-8 # ref-CR12 "id =" ref-link-section-d292454161e695 "> 12], introduzindo um terceiro material no camada ativa é um dos métodos mais eficientes e simples para cumprir os OPDs de banda larga com faixa de fotodetecção estendida e excelente desempenho [13]. Por exemplo, Rauch et al. desenvolveram o P3HT:PC ₇₁ BM BHJ onde os pontos quânticos de PbS são o componente introdutor, que estendeu com sucesso o intervalo de detecção dos OPDs para 1800 nm [14]. Mario Caironi et al. desenvolveu o T1:P3HT:PC ₇₁ BM OPDs com resposta de banda larga de 360-680 nm pela introdução de um doador de elétrons de absorção de comprimento de onda médio T1 [15].

Recentemente, uma nova classe de aceitadores de elétrons não-fulerenos tem mostrado altos coeficientes de absorção e excelentes propriedades elétricas, gerando ampla preocupação na pesquisa de dispositivos fotovoltaicos [16, 17]. Comparados com os aceitadores convencionais de derivados de fulereno, os aceitadores não-fulerenos têm uma absorção diversificada e forte, portanto, são as melhores opções para serem introduzidos no sistema tradicional como o terceiro componente [18]. Por exemplo, Tan et al. desenvolveu um dispositivo de combinação de aceitador ternário por dopagem de 3,9-bis (2-metileno- (3- (1,1dicianometileno) -indanona)) - 5,5,11,11-tetraquis (4-hexilfenil) -ditieno [2, 3d:2,3′-d ′] - s-indaceno [1,2-b:5,6-b ′] ditiofeno (ITIC) no PBDTBDD:PC ₆₀ Mistura BM para alcançar absorção complementar perfeita e alto PCE de 10,36% [19]. Além disso, a característica distintiva do ITIC é a resposta espectral de onda longa de 600-800 nm, em comparação com a resposta de onda curta e média inerente aos derivados de fulereno tradicionais. Portanto, ITIC pode ser adequado para combinação com P3HT:PC ₇₁ BM BHJ com a resposta de 400–600 nm, que pode estender a faixa de fotodetecção para a faixa de onda longa para realizar a fotodetecção efetiva de todo o espectro visível continuamente.

Portanto, neste trabalho, o ITIC é primeiramente introduzido no P3HT:PC ₇₁ Sistema convencional BM para formar OPDs de banda larga. Comparado com o P3HT de controle:PC ₇₁ BM OPDs, o sistema de misturas ternário atinge uma resposta espectral mais ampla. Enquanto isso, ajustando as proporções de ITIC e PC ₇₁ BM respectivamente, os OPDs de banda larga cobrindo toda a banda visível de 380 nm a 760 nm são obtidos, em comparação com a banda de fotodetecção original de 380–620 nm. Além disso, devido à região de coleta de luz mais ampla, melhor morfologia do filme, transferência de energia mais eficaz e menor corrente escura, os OPDs de otimização exibiram uma alta detectividade de 2,12 × 10 ¹² Jones e 2,67 × 10 ¹² Jones a 560 nm e 710 nm, respectivamente.

Métodos

As estruturas moleculares dos materiais da camada ativa usados neste trabalho são mostradas na Fig. 1a, e a estrutura dos OPDs de banda larga de óxido de índio e estanho (ITO) / poli (3,4-etilenodioxitiofeno):sulfonato de poliestireno (PEDOT:PSS) (45 nm) ) / P3HT:PC ₇₁ BM:ITIC (100 nm) / Bphen (5 nm) / Ag (80 nm) está representado na Fig. 1b. Os níveis de energia dos materiais da camada ativa em OPDs de banda larga são mostrados na Fig. 1c. O orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) e o orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) níveis de P3HT, ITIC e PC ₇₁ BM segue um alinhamento em cascata normativo, que indica a potencial via de transporte de carga eficiente entre eles. O Bphen é usado como uma camada tampão para melhorar a capacidade de transporte do portador de carga e reduzir a extinção de fotoexctons na interface entre a camada ativa e o cátodo [20]. Caso contrário, o HOMO de Bphen é maior do que os materiais ativos, que podem ser usados como uma camada de bloqueio de orifícios para reduzir a corrente escura sob polarização reversa.

a Estruturas químicas de materiais da camada ativa. b Estrutura de dispositivos de OPDs. c Diagrama de nível de energia de OPDs

Antes de iniciar a fabricação de OPDs, substratos de ITO foram consecutivamente limpos em banho ultrassônico a cada 10 min com solução detergente em água, solvente de acetona, água deionizada e solvente IPA, respectivamente [21]. Após secagem em estufa, esses substratos de ITO foram tratados com plasma de oxigênio por 20 min. Em seguida, PEDOT:PSS foi revestido por rotação a 3000 rpm por 60 s em substratos de ITO. Após o recozimento térmico a 150 ° C por 20 min, os substratos foram movidos para uma caixa de luvas de alta pureza (O ₂ , H ₂ O <1 ppm). P3HT, PC ₇₁ BM e ITIC foram dissolvidos em clorobenzeno com diferentes proporções de massa. A concentração total desses materiais foi fixada em 30 mg ml ⁻¹ , e a proporção da massa da mistura do doador (P3HT) e aceitadores (PC ₇₁ BM, ITIC) foi fixado em 1:1. Soluções de camada ativa foram fundidas por rotação no topo da camada PEDOT:PSS a 2.000 rpm por 60 s. Subsequentemente, as películas de mistura foram recozidas a 120 ° C durante 10 min. Seguido pela deposição de Ag como ânodo a uma velocidade de deposição de 5 Å S ⁻¹ . A área ativa desses OPDs era de 0,02 cm ² .

Caracterização do dispositivo

A absorção ultravioleta-visível (UV-Vis) foi medida usando um sistema de espectroscopia Shimazu UV1700 UV-Vis. A fotoluminescência em estado estacionário (PL) foi medida usando uma espectroscopia Hitachi F-7000 PL. Morfologias de superfície de camadas ativas foram caracterizadas por microscópio de força atômica (AFM, AFM 5500, Agilent, Tapping Mode, Chengdu, China). Uma fonte de luz foi usada como um simulador solar AM 1.5 G com uma potência de iluminação de 100 mW cm ⁻² . A densidade-tensão da corrente ( J-V ) curvas de OPDs no escuro e sob iluminação foram medidas com uma fonte de corrente de tensão programável Keithley 4200. Os espectros EQE foram obtidos sob a luz de uma lâmpada de xenônio passando por um monocromador. Todos os parâmetros foram medidos à temperatura ambiente ( T =300 k).

Resultados e discussão

Caracterização de camadas ativas

Os espectros de absorção de P3HT puro, PC ₇₁ Os filmes BM e ITIC são exibidos na Fig. 2a. PC ₇₁ BM pode absorver o comprimento de onda curto de 350 nm a 550 nm. O P3HT pode utilizar luz no comprimento de onda médio de 450 nm a 600 nm. E o aceitador de elétrons não-fulereno, ITIC, pode realizar a absorção de 600 nm a 800 nm. Obviamente, esses três materiais da camada ativa alcançam uma complementaridade favorável em todo o espectro visível. Portanto, os filmes de mistura têm o potencial superexcelente de realizar fotodetecção totalmente visível. Além disso, os espectros de absorção das camadas ativas (P3HT:PC ₇₁ BM:ITIC) com diferentes proporções são representados na Fig. 2b. P3HT:PC ₇₁ Os filmes BM mostram capacidade de absorção de luz favorável de 400 nm a 600 nm, mas quase não há absorção na região de onda longa após 600 nm. Após a introdução do ITIC, um novo pico de absorção é gerado de 600 nm a 750 nm por causa da contribuição do ITIC. Com o aumento gradual da incorporação de ITIC, a capacidade de absorção dos filmes de mistura no comprimento de onda longo aumenta gradualmente, o que é benéfico para ampliar o espectro de detecção de comprimento de onda longo de P3HT:PC ₇₁ Sistema de controle BM. Além disso, a intensidade de absorção em comprimentos de onda curtos e longos pode ser efetivamente ajustada variando as proporções de PC ₇₁ BM e ITIC. Em particular, a intensidade de absorção equilibrada é alcançada quando a razão de massa da camada ativa é 1:0,5:0,5, o que é obviamente benéfico para equilibrar a fotodetecção de OPDs em comprimentos de onda curtos e longos simultaneamente e realizar os OPDs de banda larga com fotodetecção totalmente visível.

a Absorção de P3HT puro, PC ₇₁ Filmes BM e ITIC. b Espectros de absorção de camadas ativas com diferentes proporções

Para investigar a influência da introdução de ITIC na transferência de energia em camadas ativas, testes de fotoluminescência em estado estacionário (PL) foram realizados. Como mostrado na Fig. 3a, quando excitado por luz de 500 nm, os filmes P3HT e ITIC puros exibem picos de PL em 640 nm e 760 nm, respectivamente. Comparado com o filme P3HT puro, a intensidade PL do P3HT é bastante extinta no filme P3HT:ITIC, o que indica a existência de uma transferência de energia entre o P3HT e o ITIC [22]. Da mesma forma, a emissão de PL de P3HT é bastante extinguida por dopagem com PC ₇₁ BM no P3HT:PC ₇₁ Filme BM, que indica transferência de energia eficiente analógica entre P3HT e PC ₇₁ BM. Além disso, ao apresentar ITIC ao P3HT:PC ₇₁ Filme de mistura BM, a intensidade PL é quase completamente extinta, e a curva PL do filme de mistura ternário está abaixo de todas as outras curvas. Isso significa que ITIC e PC ₇₁ BM pode coordenar a transferência de energia em filmes ternários. Conclui-se que a eficiência de transferência de energia de filmes ternários é melhor do que a de filmes binários. Combinado com o fato de que o primeiro tem uma faixa de absorção de luz mais ampla do que o último para capturar mais fótons e contribuir para a fotocorrente, indica P3HT:PC ₇₁ BM:ITIC OPDs podem ter fotocorrente maior do que P3HT:PC ₇₁ BM OPDs em teoria.

a Espectros PL de filmes sob excitação de luz de 500 nm. b J-V características de dispositivos apenas de elétrons

Para investigar a influência das propriedades de transporte de portadores de carga pela introdução do ITIC, o modelo de corrente limitada de carga espacial (SCLC) foi adotado para quantificar a mobilidade. Os dispositivos apenas de elétrons foram fabricados com a estrutura de ITO / ZnO (30 nm) / P3HT:PC ₇₁ BM:ITIC (100 nm) / Bphen (5 nm) / Ag (80 nm). O SCLC é descrito pela equação de Mott-Gurney [23]:
$$ J =\ frac {9} {8} {\ varepsilon \ varepsilon} _0 \ mu \ frac {V ^ 2} {d ^ 3} $$ (1)
onde ε ₀ é a permissividade do vácuo, ε é a permissividade relativa dos materiais orgânicos, μ é a mobilidade da portadora de carga, V é a tensão aplicada, e d é a espessura das camadas ativas. J-V as características na condição escura para os dispositivos apenas de elétrons com diferentes camadas ativas são mostradas na Fig. 3b. De acordo com a Eq. (1), a mobilidade de elétrons de dispositivos com diferentes proporções é 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 e 4,43 × 10 ⁻⁴ cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , respectivamente. Com o aumento da proporção de ITIC, a mobilidade do elétron do dispositivo diminui significativamente, uma vez que a mobilidade do elétron do ITIC é menor que a do PC ₇₁ BM [24], que pode fazer com que a corrente escura dos OPDs diminua após a introdução do ITIC [25].

Para OPDs, a morfologia da superfície da camada ativa tem uma grande influência no transporte de carga e na dissociação de excitons. Uma camada ativa com morfologia de superfície favorável pode inibir a recombinação de carga e melhorar a fotocorrente [26]. Assim, as morfologias da superfície das camadas ativas com diferentes proporções são investigadas por microscopia de força atômica (AFM), que são representadas na Fig. 4. De acordo com a imagem de altura, a superfície do P3HT:PC ₇₁ O filme BM:ITIC (1:1:0) é um pouco áspero e a rugosidade quadrada média (RMS) é de cerca de 0,932 nm. A partir da imagem de fase, podemos ver que o arranjo das moléculas não é completamente uniforme e ordenado. Depois de dopar alguma porção ITIC para a mistura (1:0,7:0,3, 1:0,5:0,5, 1:0,3:0,7), a morfologia da superfície da camada ativa muda muito e a rugosidade RMS desce para 0,690 nm, 0,634 nm, e 0,701 nm, respectivamente. A variação do RMS pode ser atribuída ao estado de agregação alterado, como pode ser visto nos diagramas de fase. Comparado com o P3HT:PC ₇₁ Filme binário BM, os filmes de mistura dopada ITIC exibem uma superfície mais lisa e um arranjo molecular mais ordenado. No entanto, quando a proporção da mistura torna-se 1:0:1, a rugosidade RMS aumenta para 1,386 nm e a morfologia do filme não é suficientemente lisa causada por agregação molecular indesejável granular, o que pode levar ao aumento da recombinação de carga e baixa fotocorrente. De acordo com os resultados da caracterização do AFM, os filmes de blendas ternárias apresentam melhores características morfológicas do que os filmes binários, que se devem ao arranjo ordenado das moléculas dos dois aceptores, reduzindo a agregação molecular nos filmes ternários.

Imagens de altura AFM ( a - e ) e imagens de fase ( f - j ) de P3HT:PC ₇₁ BM:camadas ativas ITIC com várias proporções

De acordo com os espectros de absorção das camadas ativas, a banda de absorção de comprimento de onda longo do ITIC introduzido deve ser capaz de ampliar a faixa de fotodetecção de comprimento de onda longo de OPDs efetivamente. Além disso, a introdução do ITIC também altera as propriedades elétricas e a morfologia da superfície das camadas ativas. Do ponto de vista do SCLC, a introdução do ITIC reduz a mobilidade de elétrons da camada ativa, o que obviamente reduziria a capacidade de transporte de portadores dos dispositivos. Isso teria o mesmo efeito adverso na corrente escura e na fotocorrente. No entanto, a introdução do ITIC também permite que a camada ativa capture mais fótons de comprimentos de onda longos para contribuir com fotocorrente, o que supera o efeito adverso da baixa mobilidade de elétrons na fotocorrente sob condições de luz. Uma melhor morfologia do filme e uma transferência de energia mais eficaz na camada ternária ativa também são benéficas para a excelente fotocorrente. Em conclusão, a corrente escura diminuirá com a adição de ITIC, enquanto a fotocorrente mudará regularmente sob a influência de vários fatores. Portanto, é necessário preparar OPDs construídos por camadas ativas com diferentes proporções para determinar a alta fotocorrente e a baixa corrente de escuro, de modo a obter um excelente desempenho de fotodetecção.

Desempenho de OPDs

A Figura 5 mostra os parâmetros de desempenho elétrico de OPDs com diferentes proporções de camadas ativas. O J-V curvas de OPDs sob condições de claro e escuro são apresentadas na Fig. 5a. Como mostrado, os OPDs com diferentes proporções de massa da camada ativa têm fotocorrente e corrente escura significativamente diferentes. Concretamente, como o P3HT:PC ₇₁ A proporção BM:ITIC muda de 1:1:0 para 1:0,5:0,5, a fotocorrente continua aumentando, o que é causado pela faixa de coleta de luz expandida, transferência de energia eficiente e melhor morfologia do filme em misturas ternárias. Por outro lado, como o P3HT:PC ₇₁ A relação BM:ITIC muda de 1:0,5:0,5 a 1:0:1, a fotocorrente continua diminuindo. Porém, a corrente escura continua diminuindo com o aumento da relação ITIC, o que atribui a mobilidade reduzida do elétron e transporte desfavorável de portadores de carga causado pela adição excessiva do ITIC. A tendência de mudança da fotocorrente e da corrente escura é consistente com a mudança das propriedades do filme causada pela mudança das proporções ternárias das camadas ativas. As características das razões liga / desliga de OPDs são investigadas na Fig. 5b. Os OPDs 1:0,5:0,5 mostram as maiores relações liga / desliga na região de polarização reversa do que os outros OPDs, demonstrando uma propriedade de comutação muito melhor, que se deve à maior fotocorrente e menor corrente escura.

a J - V características de OPDs com várias proporções em condições de escuridão e luz. b Relações liga / desliga de OPDs. c Características de resposta / recuperação dos OPDs sob modulação light on / off. d J _SC de OPDs em função da intensidade da luz

Além disso, para garantir que os OPDs tenham uma capacidade de resposta estável e recuperável, a densidade de corrente em função do tempo é mostrada na Fig. 5c para os OPDs de banda larga com várias proporções. Os sinais de corrente cíclica foram registrados na modulação on / off da iluminação. Cada ciclo é de 20 s com um tempo de exposição de 10 s e a duração total é de 120 s. Os resultados mostram que a corrente de cada OPD aumenta significativamente sob iluminação e retorna ao nível original após o desligamento da luz. É óbvio que esses OPDs têm características de resposta / recuperação estáveis e repetíveis, o que é desejável para aplicações práticas [27].

Para investigar melhor a influência da razão ITIC na recombinação de OPDs em condições de luz, J _SC em função da intensidade da luz é traçada. Em geral, uma dependência da lei de potência entre J _SC e eu pode ser expresso como J _SC ∝ Eu ^α . Quando α se aproxima de 1, a recombinação bimolecular é relativamente fraca [28, 29]. Conforme mostrado na Fig. 5d, os OPDs com a razão de 1:1:0, 1:0,7:0,3 e 1:0,5:0,5 têm os valores α semelhantes, que são 0,817, 0,797 e 0,803, respectivamente. Isso significa que esses três OPDs têm um nível semelhante de recombinação bimolecular. No entanto, devido à introdução do ITIC, mais fótons de ondas longas são absorvidos nas camadas ternárias ativas, de modo que a fotocorrente dos OPDs com dopagem moderada ITIC é maior do que a do P3HT:PC ₇₁ BM OPDs. À medida que mudam ainda mais as razões ternárias para 1:0,3:0,7 e 1:0:1, os valores de α caem para 0,713 e 0,680, respectivamente. Isso indica que a grande quantidade de dopagem ITIC intensifica a recombinação e reduz significativamente a fotocorrente.

A fim de descrever as características de resposta espectral dos OPDs, as curvas EQE dos OPDs com vários P3HT:PC ₇₁ As razões BM:ITIC são mostradas na Fig. 6a. E alguns parâmetros de desempenho de detecção espectral em diferentes comprimentos de onda específicos estão listados na Tabela 1. O dispositivo baseado em P3HT binário:PC ₇₁ O filme BM mostra um pico EQE plano cobrindo os intervalos de 400–600 nm, atribuídos à absorção de P3HT e PC ₇₁ BM. Após a introdução do não-fulereno, ITIC, em P3HT:PC ₇₁ BM, a curva EQE dos OPDs de banda larga se estende até 760 nm, e um novo pico espectral de 650 nm a 750 nm é gerado. Além disso, a intensidade de resposta relativa das diferentes faixas espectrais pode ser ajustada alterando as razões de massa de P3HT, PC ₇₁ BM e ITIC. A partir das curvas EQE, a sinergia entre o doador e os aceitadores na proporção de massa ideal, 1:0,5:0,5, equilibra o EQE de todo o comprimento de onda. A curva EQE ampla e plana mostra intuitivamente que os OPDs de banda larga dopados com ITIC estendem efetivamente a faixa de resposta óptica contínua para a faixa de onda longa, cobrindo todo o espectro visível de 380-760 nm.

a Espectros EQE medidos de OPDs com várias proporções. b Calculado R valores de OPDs. c Calculado D * valores de OPDs

Responsividade ( R ) descreve a capacidade de conversão de fótons em portadores de carga de OPDs, que é usado para determinar a capacidade de resposta à luz [30]. R é calculado como a Eq. (2):
$$ R \ left (\ lambda \ right) =\ frac {\ mathrm {EQE} \ left (\ lambda \ right) q} {hv} $$ (2)
onde EQE é eficiência quântica externa, q é a carga do elétron, λ é o comprimento de onda da luz incidente, h é a constante de Planck e v é a frequência da luz. De acordo com a Eq. (2), a tendência de R depende do EQE e λ quando os outros parâmetros são constantes. Os resultados calculados de R os valores são mostrados na Fig. 6b e na Tabela 1. Semelhante às curvas EQE, os OPDs baseados em 1:0,5:0,5 obtêm um R mais alto do que outros OPDs em comprimentos de onda longos e curtos. O R valores de otimização de OPDs de banda larga alcançaram 0,21 A W ⁻¹ e 0,25 A W ⁻¹ a 560 nm e 710 nm, respectivamente. O amplo R A curva indica que os OPDs de banda larga dopados com a quantidade apropriada de ITIC podem absorver a luz incidente de todo o espectro visível de maneira uniforme e convertê-la em fotocorrente de maneira eficiente.

Como o parâmetro de desempenho mais importante dos OPDs, o D * é empregado para determinar a fotossensibilidade dos OPDs. O D * de OPDs podem ser definidos como a Eq. (3):
$$ D \ ast \ left (\ lambda \ right) =\ frac {R \ left (\ lambda \ right)} {{\ left (2 {qJ} _d \ right)} ^ {1/2}} $$ (3)
Os resultados calculados de D * são mostrados na Fig. 6c. Para os OPDs de controle baseados em P3HT:PC ₇₁ BM, a detectividade excede 1,0 × 10 ¹² Jones de 380 nm a 600 nm e atinge 1,67 × 10 ¹² Jones a 560 nm. Para efeito de comparação, o dopagem de OPDs por ITIC estendeu a faixa de fotodetecção efetiva para todo o espectro visível de 380-760 nm. Especificamente, a detectividade dos OPDs obtidos com razão de 1:0,5:0,5 atingiu 2,12 × 10 ¹² Jones e 2,67 × 10 ¹² Jones a 560 nm e 710 nm, respectivamente. Por um lado, a faixa de fotodetecção de OPDs foi ampliada com a adição de ITIC. Por outro lado, a detectividade de otimização de OPDs em todo o espectro visível é maior do que a de outros OPDs, o que é causado por alta fotocorrente e baixa corrente escura na taxa de otimização da camada ativa.

Conclusões

Em resumo, os OPDs de alto desempenho com fotodetecção de luz visível total são fabricados pela introdução de um aceitador não fulereno de ITIC no P3HT:PC ₇₁ Sistema de controle BM. Os três materiais formam o espectro complementar, que juntos realizam efetivamente um fotodetector de banda larga cobrindo todo o espectro visível. Além disso, os OPDs com proporção apropriada de P3HT:PC ₇₁ BM:ITIC exibe uma melhor capacidade de coleta de fótons, menor corrente escura, transferência de energia mais eficiente e morfologia de filme mais favorável para melhorar a detectividade. Notavelmente, nossa abordagem é concisa, altamente reproduzível e escalonável. Nosso trabalho indica que a escolha de um aceitador de elétrons não-fulereno adequado e um sistema binário para construir a camada ativa do espectro de absorção de luz complementar é um método eficaz para alcançar OPDs de banda larga de alto desempenho, que será amplamente aplicável em pesquisas futuras.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

AFM:: Microscópio de força atômica
BHJ:: Heterojunção em massa
Bphen:: Batofenantrolina
D *:: Detetividade
EQE ::: Eficiência quântica externa
HOMO:: O orbital molecular mais ocupado
ITIC:: 3,9-Bis (2-metileno- (3- (1,1dicianometileno) -indanona)) - 5,5,11,11-tetraquis (4-hexilfenil) -ditieno [2,3d:2,3′-d ′] -S-indaceno [1,2-b:5,6-b ′] ditiofeno
ITO:: Óxido de índio estanho
J _d :: Densidade de corrente escura
J-V :: A densidade-voltagem da corrente
LUMO:: O orbital molecular mais baixo desocupado
OPDs:: Fotodetectores orgânicos
OSCs:: Células solares orgânicas
P3HT:: Poli (3-hexiltiofeno-2,5-diil)
PC ₇₁ BM:: Éster metílico de ácido [6,6] -Fenil C71-butírico
PEDOT:PSS:: Poli (3,4-etilenodioxitiofeno):poliestireno sulfonato
PL:: Fotoluminescência em estado estacionário
RMS:: Raiz quadrada média
UV-Vis:: Espectroscopia ultravioleta-visível

Ge pMOSFETs de alta mobilidade com dielétrico ZrO2:Impactos do pós-recozimento Fabricação de nanoestruturas híbridas baseadas em nanoaglomerados de Fe3O4 como agentes teranósticos para imagens de ressonância magnética e administração de medicamentos

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

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