共轭聚合物活性层调控及光电探测器性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luoyuqingyuan
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共轭聚合物光电材料有分子可设计性强、质轻、柔性与可溶液加工等优点,在光电探测器、太阳能电池等领域得到了广泛关注。共轭聚合物光电探测器作为新一代探测器,在军事与国民经济中有巨大的应用潜力,例如导弹制导、医疗、环境监测、生物传感与可穿戴器件等。经典的共轭聚合物光电探测器结构为阴极/阴极界面层/活性层/阳极界面层/阳极组成,其中,最核心的结构为活性层,是光电转换的场所,由给体材料与受体材料共混得到,共轭聚合物就应用在其中。器件性能的优劣主要取决于给受体材料自身的特性以及由其形成的活性层的聚集态结构。本文针对作为聚合物光电探测器核心的活性层,研究了基于给体材料共轭聚合物聚(3-己基噻吩)和受体材料PC61BM所构成的活性层的形貌调控及其对器件性能的影响;基于萘α、β位取代的含有二噻吩并吡咯与吡咯并吡咯二酮的共轭聚合物给体材料PDTPN-α、PDTPN-β,研究了给体单元侧链萘α与β位取代对活性层形貌及器件性能的影响。主要内容及结论如下:(1)以聚(3-己基噻吩)作为给体材料,PC61BM作为受体材料制备了活性层及相关光电探测器。分别采用120 nm、160 nm、180 nm与200 nm的膜厚对活性层进行调控,发现180 nm厚活性层具有最好的性能。基于180 nm厚度的活性层,对活性层进行100℃、120℃、130℃、140℃与150℃退火处理,并以无退火的活性层作为对照组,制备了相应的器件,发现150℃退火后的器件有最高的外量子效率,为57%(-0.1 V);120℃退火处理的器件有最大的线性动态范围(95 dB)和最大的归一化探测率(2.93×1011Jones,-0.1 V)。此外,通过原子力显微镜的表征,发现150℃退火处理的活性层相较于无退火的活性层形成了有利于提高光伏性能的互穿网络结构。(2)分别以给受体型共轭聚合物PDTPN-α、PDTPN-β作为给体材料,PC61BM作为受体材料制备了活性层及光电探测器,研究了α、β位取代的萘侧链对聚合物基本性质、活性层形貌及光电探测器性能的影响。在1000 nm处,-0.1 V的偏压下,PDTPN-β器件的响应度达到了57.74 mA/W,比PDTPN-α器件提高了159%,因此,PDTPN-β更适合应用在长波长响应的近红外光电探测器中,这得益于聚合物更好的近红外吸收性质;PDTPN-α器件在800 nm较短波长的近红外区有更好的性能,-0.1 V的偏压下,PDTPN-α器件归一化探测率为5.21×101 1 1 Jones,相比PDTPN-β器件提高了125%,这得益于活性层形成了理想的纳米尺寸相分离结构,且粗糙度较小。
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