光電倍增型有機(jī)光電探測(cè)器（PM-OPDs）具有信號(hào)放大功能，適用于微弱光檢測(cè)，但響應(yīng)速度慢、暗電流高。光伏型有機(jī)光電探測(cè)器（PV-OPDs）響應(yīng)速度快、探測(cè)率高，但光響應(yīng)有限。本文通過(guò)在活性層中引入非富勒烯受體BFDO-4F，創(chuàng)建陷阱態(tài)以捕獲光生電子，實(shí)現(xiàn)了PV和PM雙模式切換的電池。

有機(jī)光探測(cè)器（OPDs）因可定制光譜響應(yīng)、便于集成和成本低受關(guān)注。PV型OPDs光響應(yīng)低，PM型OPDs雖能信號(hào)放大，但存在響應(yīng)慢、暗電流大等問(wèn)題，雙模式OPDs結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)，需進(jìn)一步探索。材料與電池結(jié)構(gòu)

使用的材料信息和電池結(jié)構(gòu)

BFDO-4F的化學(xué)結(jié)構(gòu)：BFDO-4F是一種新型的非富勒烯受體材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在引入電子陷阱態(tài)，以捕獲光生電子，從而實(shí)現(xiàn)光電倍增效應(yīng)。

材料的吸收光譜和能級(jí)：各材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力，這與電池的光譜響應(yīng)特性緊密相關(guān)。

雙模式 OPD 的電池架構(gòu)：這種架構(gòu)為電荷的產(chǎn)生、傳輸和收集提供了物理基礎(chǔ)，不同層之間協(xié)同作用，在不同偏壓下實(shí)現(xiàn) PV 和 PM 模式的切換 。

不同偏壓條件下的工作模式特性

雙模式OPD在不同條件下的工作機(jī)制

PM模式: 在正向或高反向偏壓下，通過(guò)BFDO-4F引入的電子陷阱態(tài)捕獲光生電子，導(dǎo)致能級(jí)彎曲，促進(jìn)空穴注入，實(shí)現(xiàn)光電倍增。

PV模式:在零或小反向偏壓下，光生載流子被有效分離和提取，形成光電流，表現(xiàn)為典型的光伏效應(yīng)。雙模式 OPD 的性能參數(shù)

雙模式OPD的性能

EQE 光譜與 BFDO - 4F 濃度及偏壓的關(guān)系：

在1 V正向偏壓下，隨著B(niǎo)FDO-4F濃度的增加，EQE從1612%下降到857%（在820 nm波長(zhǎng)處）。這種下降可以歸因于BFDO-4F濃度增加引入的更多電子陷阱，導(dǎo)致注入空穴與捕獲電子在ZnO/BHJ界面處的復(fù)合增加。

在0V 偏壓（PV 模式）下，隨著B(niǎo)FDO-4F濃度的增加，EQE從12%下降到4%（在820 nm波長(zhǎng)處）。這種下降是由于增加的雜質(zhì)/陷阱阻礙了光生載流子的提取。

1 wt% BFDO-4F的OPD隨著偏壓從零向正向增加，EQE逐漸增加，在2.5 V正向偏壓下超過(guò)5700%。在反向偏壓下，最大EQE從17%增加到143%（在-20 V偏壓下）。

EQE光譜展示了電池在不同偏壓和BFDO-4F濃度下的光電響應(yīng)能力，特別是在PM模式下的高EQE。陷阱效應(yīng)分析

雙模式OPD中陷阱效應(yīng)的研究

電流-電壓與復(fù)合特性：隨著 BFDO-4F 濃度增加，電流上升，這與陷阱態(tài)密度改變有關(guān)，導(dǎo)致熱激發(fā)和復(fù)合增強(qiáng)。由τ?n曲線(xiàn)和krec可知，陷阱態(tài)影響載流子復(fù)合，krec 變化反映了復(fù)合損失情況。

光伏性能參數(shù)變化：BFDO-4F 濃度增加時(shí)，出現(xiàn) S 形扭結(jié)，開(kāi)路電壓、填充因子和短路電流密度下降，意味著陷阱導(dǎo)致電荷傳輸問(wèn)題和非輻射復(fù)合增加。

陷阱態(tài)的驗(yàn)證：BFDO-4F 有顯著信號(hào)，證明其具有自由基特征，可作為電荷載流子的陷阱。

動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)：PV 模式下，陷阱阻礙載流子傳輸，正向偏壓使復(fù)合加劇，DR降低；反向偏壓增加時(shí)，PM 模式下DR下降，但空穴收集更有效。形貌分析

三元共混物的GIWAXS和TEM分析

GIWAXS分析: 揭示了BFDO-4F增加對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和堆積位錯(cuò)的影響，表明結(jié)晶度提高。

TEM圖像: 展示了相分離尺度上的晶域形成，有助于理解薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

AFM圖像: 進(jìn)一步證實(shí)了BFDO-4F增加對(duì)薄膜表面形貌和結(jié)晶度的影響。應(yīng)用展示

雙模式OPD的應(yīng)用展示

自供電模塊: 展示了PV和PM模式的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部偏壓或放大器的顯著光電增益。

生物傳感中的光電流放大: PM 模式下檢測(cè)微弱光信號(hào)能力強(qiáng)，用于光體積脈搏波（PPG）測(cè)量，信號(hào)比硅光電探測(cè)器強(qiáng) 21 倍 。

可穿戴電子：在柔性 PI 基板上保持較高 PM 效應(yīng)，EQE 超 1000%，適用于可穿戴設(shè)備 。

通用性驗(yàn)證：將 BFDO-4F 用于不同活性層體系，電池同樣展現(xiàn)雙模式特性和快速響應(yīng)速度 。

通過(guò)引入非富勒烯受體BFDO-4F，成功開(kāi)發(fā)了一種偏壓可切換的雙模式有機(jī)光電探測(cè)器（OPD），結(jié)合了光電倍增（PM）和光伏（PV）兩種工作模式的優(yōu)勢(shì)。該電池在PV模式下表現(xiàn)出高探測(cè)率（D*）和快速響應(yīng)速度，而在PM模式下實(shí)現(xiàn)了極高的外量子效率（EQE）和顯著的光電增益。通過(guò)自供電模塊的展示，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了這種雙模式OPD在高度集成和微型化應(yīng)用中的潛力。美能QE量子效率測(cè)試儀

美能QE量子效率測(cè)試儀可以用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)，并通過(guò)其量子效率來(lái)診斷太陽(yáng)能電池存在的光譜響應(yīng)偏低區(qū)域問(wèn)題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測(cè)量范圍、測(cè)試的準(zhǔn)確性和可追溯性等優(yōu)勢(shì)。

• 兼容所有太陽(yáng)能電池類(lèi)型，滿(mǎn)足多種測(cè)試需求

• 光譜范圍可達(dá)300-2500nm，并提供特殊化定制

• 氙燈+鹵素?zé)?/span>雙光源結(jié)構(gòu)，保證光源穩(wěn)定性

美能QE量子效率測(cè)試儀精準(zhǔn)地測(cè)量出雙模式有機(jī)光探測(cè)器在不同偏壓和BFDO-4F濃度下的外量子效率（EQE），為研究提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。借助美能QE量子效率測(cè)試儀，我們清晰地觀(guān)察到 EQE 光譜的變化趨勢(shì)，從而深入了解電池的光電響應(yīng)特性。

原文出處：Bias-Switchable Photomultiplication and Photovoltaic Dual-Mode Flexible Near-Infrared Organic Photodetector