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[博士论文] 王铁宁
光学工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:低的暗电流密度和高的光电流密度在决定有机光电探测器整体性能方面发挥着重要作用。对于光电二极管型的有机光电探测器,由于其工作机制同有机光伏器件基本相同,在当前有机光电探测器的研究中比较常见。光电倍增型的有机光电探测器的报道相对较少,但是由于其器件通常能够达到较高的外量子效率(>100%),实现高的光响应度,光电倍增型的有机光电探测器受到越来越多的关注。
  目前,通过利用陷阱或者阻挡层引入电荷积累而导致电荷隧穿注入的办法,研究者已经能够实现高外量子效率的光电倍增型的有机光电探测器,但是这样的器件普遍存在工艺复杂、响应速度偏慢、工作电压高、毒性等不足。使用简单的可溶液制备方法,在低工作电压下,努力实现全优化性能的有机光电探测器仍然是一个重要的研究方向。本论文通过在传统的体异质结器件中引入电极修饰层,实现了高性能的有机光电探测器,并对器件的相关机理进行了研究。主要内容包括三部分。
  1.将溶胶凝胶法制备的ZnO电极修饰层分别应用在基于Poly(3-hexylthiophene)(P3HT)∶(phenyl-C61-butyric-acid-methyl-ester)(PC61BM)和Thieno[3,4-b]thiophene/benzodithiophene(PTB7)∶[6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)活性层体系的体异质结有机光电探测器,器件结构为ITO/ZnO/活性层/Al,实现了高性能的光电倍增型的有机光电探测器。
  (1)研究发现,溶胶凝胶的ZnO电极修饰层能够有效地阻挡外部电荷的注入,从而明显地降低器件的暗电流;在光照条件下,ZnO电极修饰层的表面缺陷态被填充并且光生空穴在ZnO电极修饰层和活性层的界面处积累,最终使得电荷通过隧穿注入,形成较大的光电流。
  (2)在-0.5V的反向偏压下,基于P3HT∶PC61BM器件,由于ZnO修饰层的引入,暗电流被有效降低,光电流得以显著提高,开关比达到2.04×105,是对照器件的2.55×103倍,在460nm到600nm之间的量子效率超过200%,在400nm到630nm之间的探测率超过1.0×1012Jones并且在不同单色光照下的线性动态范围超过100dB;同样,基于PTB7∶PC71BM器件,ZnO的引入使得开关比从93.97提高到1.25×103,在350nm到750nm之间的量子效率超过2000%,相应的探测率接近1.0×1013Jones。
  2.将水/醇溶性的共轭聚合物Poly[(9,9-bis(30-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFN)电极修饰层、可溶性碱金属盐Cs2CO3电极修饰层分别应用在基于P3HT∶PC61BM和PTB7∶PC71BM活性层体系的体异质结有机光电探测器,器件结构为ITO/PFN(Cs2CO3)/活性层/Al,实现了高性能的光电倍增型的有机光电探测器。
  (1)通过PFN(Cs2CO3)对ITO电极进行修饰,在电极与活性层之间形成了偶极层,有效地阻挡了外部电荷的注入,从而明显地降低器件的暗电流。在光照条件下,由于该偶极层的阻挡作用,空穴会在活性层和电极修饰层的界面处发生积累,最终导致电荷的隧穿注入,形成较大的光电流。
  (2)在-0.5V的反向偏压下,与对照器件相比,基于PFN修饰的P3HT∶PC61BM器件,暗电流从0.07mA/cm2降低到1.92×105mA/cm2,器件开关比达到1.93×105,在550nm处达到最大的外量子效率208.11%,相应的响应度和探测率分别为0.92A/W和9.10×1012Jones;基于Cs2CO3修饰的P3HT∶PC61BM器件达到1.02×105的开关比,并且在560nm处达到最大的外量子效率503.62%,相应的响应度和探测率分别为2.27A/W和3.97×1011Jones。
  (3)在-0.5V的反向偏压下,基于PTB7∶PC71BM活性层的插入PFN电极修饰层的器件也实现较好性能,器件的开关比从93.97提高到1.61×104,并且在350nm到690nm之间的量子效率超过100%,在350nm到730nm之间的探测率大小约为1.00×1014Jones。
  3.基于以上研究,在ZnO、PFN、Cs2CO3三种ITO电极修饰层所制各的光电探测器基础上,使用P3HT∶PC61BM和PTB7∶PC71BM两种活性层体系,我们研究了金属电极对器件性能的影响,结果表明,不同金属电极(Ag,Au,Al)对光电探测器的性能有着显著的不同影响。
  (1)基于这三种ITO修饰层,所制备的不同金属电极的器件,在工作电压下均存在两种不同的光电探测器工作模式。对于Ag(Au)金属上电极的器件,在反向偏压下,电极修饰层对相应电荷的收集起到更好地传输作用,使得光生电荷能够迅速地传输到电极并且被两极收集,该光电探测器满足光电二极管模式;然而,对于Al金属上电极的器件,在反向偏压下,光生电荷在电极修饰层和活性层之间发生电荷积累,形成电荷的隧穿注入,外量子效率能够突破100%,该光电探测器满足光电倍增模式。
  (2)基于不同金属电极所制备的器件在两种不同工作模式下都展现出较高的开关比和的光响应。同时,各自又呈现出独特的性能参数:在反向偏压下,光电二极管模式的有机光电探测器具有更高的探测率和更宽的线性动态范围;而光电倍增模式的有机光电探测器具有超过100%的外量子效率和更高的响应度。结果表明:通过调控功函数可以实现不同工作模式下的性能优良的光电探测器,从而获得不同的优化的性能参数。
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