【摘 要】
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有机太阳电池(OSC)和有机光电探测器(OPD)的基本原理相同,均可以归结为广义的有机光伏器件,其中OSC的研究相较OPD而言更为成熟,已经发展到单结器件光电转换效率达到18%的水平,表明其作为高效的太阳光子能源转换器件达到初步实用的境地。与此同时,随着涵盖光谱范围的拓展以及性能的提高,有机光电探测器的基础研究及相应的应用研究也日益增多,其研究的重点逐渐聚焦在抑制暗电流、提升线性响应范围、提升器件
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有机太阳电池(OSC)和有机光电探测器(OPD)的基本原理相同,均可以归结为广义的有机光伏器件,其中OSC的研究相较OPD而言更为成熟,已经发展到单结器件光电转换效率达到18%的水平,表明其作为高效的太阳光子能源转换器件达到初步实用的境地。与此同时,随着涵盖光谱范围的拓展以及性能的提高,有机光电探测器的基础研究及相应的应用研究也日益增多,其研究的重点逐渐聚焦在抑制暗电流、提升线性响应范围、提升器件截止频率等方面。目前,对于在实验室条件下制备的高性能器件,上述的器件主要性能参数已经提升到了比较优异的水平,有些性能已经可以媲美无机器件,鉴于此,努力开发有机光电探测器的实际应用,具有科研和实用价值。基于上述的背景,本学位论文的前两项工作主要围绕有机光电探测器在可穿戴医疗器件和光通信领域的应用研究展开。在本学位论文的最后一章,针对在光探测研究过程中涉及的材料体系(PBDB-T:IT-M、PBDB-T:IT-4F)存在着异于寻常情况的光稳定性问题,结合介电常数谱等测试表征手段,对其问题的来源和所蕴藏的科学价值,进行了系统的探讨。总之,本学位论文围绕有机光伏器件的光稳定性及其光电信息转换应用研究展开,结构组织如下:第一章绪论介绍有机光伏型器件的工作原理,阐述了有机光伏型器件光电转化物理过程和性能参数的主要影响因素,并且回顾了国内外同行对有机光电探测器在光电容积脉搏波信号检测与光通信领域的研究进展。针对可穿戴电子器件对材料的柔性要求高且与人体皮肤相适应的特点,第二章提出了一种简单但实用的有机光电探测器阵列结构,即对面积为1.5 cm~2玻璃衬底上的ITO导电薄膜进行平均分割形成6个相同面积互不接触的ITO薄膜,最终在面积为1.5 cm~2玻璃衬底上制备得到由6个完全独立OPD子器件构成的简单阵列,通过这一阵列结构将多个有机光电探测器单元串联使用,增强了其输出光电压,大大提升了接收信号的能力,此外由于器件工作在0 V偏压下,所以无需额外电源。这种设计与可穿戴电子有很好的兼容性,使用这种结构可以无需跨阻抗放大器,降低了实际系统的复杂度,更大程度地实现了可穿戴应用中的柔性特征,因而在检测光电容积脉搏波信号等方面有很大的应用价值。论文第三章提出了一种实现有机光电探测器双面差异化探测的制备方案。在技术方案上,采用了ITO/给体/受体/半透明银膜的平面异质结结构,利用光生载流子的空间分布受入射过程调制这一特性,实现了同一器件双面差异化探测,当光从Ag顶面和ITO底面分别入射时,对300-650 nm范围的光谱响应度分别达到51 m A/W和2 m A/W,而650-850 nm范围则分别为11 m A/W和131 m A/W,即入射光从银膜和ITO侧入射可分别获得对可见光和近红外光的差异性响应。在此基础上,结合搭建的可见光通信系统,利用双面差异化探测的有机光电探测器作为关键光电转换元件,实现了音频信号的高保真传输。这种双面差异化探测的有机光电探测器有望在新型的光通讯系统中发挥独特的作用。在前两章的实验过程中,发现PBDB-T:IT-M和PBDB-T:IT-4F这两种活性层材料体系器件有着明显的光稳定性问题,即光照一段时间后器件的光电转换效率得以提升,这种效应通常称为光浸润效应,例如对PBDB-T:IT-M倒置器件来说,光照140 s后其光电转换效率从8.92%的初始效率提升至9.43%,针对这一现象,第四章研究了光照下典型器件光浸润效应及其弛豫特征,结合介电常数谱等测试手段,根据介电谱的响应原理,得出了光浸润效应是由活性层内空间电荷弛豫所引起的结论。在此基础上,通过电容-电压(C-V)特性测量和电流-电压(J-V)特性测量,结合器件的载流子动力学特性研究,确认了由光浸润导致的延迟极化效应可以增加有效迁移率和有效载流子寿命,因而增强了器件的性能。
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