一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管

本发明属于有机半导体，具体涉及一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，适用于强光检测和弱光检测。

背景技术：

1、光电二极管具有暗电流低、响应快、体积小、集成容易等优点，广泛应用于ccd/cmos阵列等成像系统，尤其是有机光电二极管，因其特有的柔性、响应光谱可调、质量轻、成本低等优势而备受关注。

2、由于光电二极管的整流特性，在正偏压下器件的暗电流很高，无法探测光信号。因此，光电二极管通常在反偏压下基于光伏(pv)效应工作。例如文献“recent progress onhighly sensitive perovskite photodetectors，j.mater.chem.c 2019,7,1741”公开的一种高灵敏度钙钛矿型光电探测器，该探测器配置有前置放大电路，在pv模式下工作时，具有较低的外量子效率(eqe)，不超过100％。在检测微弱光信号时，ccd/cmos阵列中的单个像素所产生的光电流可低至pa级别，但是前置放大电路的设置导致成像系统设计复杂，增加了成本。

3、具有光电倍增(pm)效应的opd具有远大于100％的eqe，对微弱光信号具有较强的检测能力，避免了前置放大电路的使用，满足了新一代成像系统小型化和集成化的要求。如文献“recent progress on photomultiplication type organic photodetectors，laserphotonics rev.2018,13,1800204”公开的一种光电倍增管型有机光电探测器。该器件的eqe可以达到105％。其具有比pv模式高出几个数量级的光电流，使用时，需要更高的偏压进行驱动，这将大大增加系统的功耗。尤其是在检测强光信号时，高功耗造成的散热和抗击穿等问题对基于有机光敏层的opd器件是不小的挑战。

4、可见，不论是pv还是pm型器件，其单一的工作模式具有局限性，无法满足各类场景的应用需求。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，以解决现有技术中有机光电二极管因工作模式单一带来的应用局限性问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，包括自下而上依次层叠的透明基底层、第一透明导电电极、第一阻挡层、光敏层、第二阻挡层和第二电极；所述光敏层上表面具有用于俘获载流子的载流子陷阱；在正向偏压下，光敏层表面的载流子陷阱引起外电路载流子隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管以pm模式工作；在反向偏压下，光敏层两侧的第一阻挡层、第二阻挡层阻止外电路载流子的隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管以pv模式工作。

4、进一步的，所述光敏层包含一种或多种有机半导体材料。

5、进一步的，所述光敏层的制备过程为：将制备光敏层的有机半导体混合溶液通过旋涂、刮涂、滴涂、喷涂或蒸镀工艺，使其覆于第一阻挡层上表面形成薄膜，再进行热退火、溶剂退火、纳米压印、模板生长或蒸镀工艺调控处理，使薄膜上表面或/和下表面形成的颗粒状缺陷形貌或凹孔缺陷形貌。

6、更进一步的，所述颗粒缺陷形貌粗糙度、孔径大小等根据需求调控。

7、进一步的，所述第一阻挡层和第二阻挡层均可以为电子阻挡层或空穴阻挡层，电子阻挡层材料包括poly-tpd、pvk、moo3、p3ht和pedot:pss，空穴阻挡层材料包括zno、peie、peie-zn、tio2、lif和seo2。

8、进一步地，所述光敏层厚度为100nm～2000nm。

9、本发明提供的一种具有光伏/倍增双工作模式有机光电二极管，具有光电倍增(pm)和光伏(pv)两种工作模式，通过外加偏压的方向加以控制，以满足强、弱光检测的应用需求。在正向偏压下，光敏层表面的载流子陷阱引起外电路载流子隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式有机光电二极管以pm模式工作，此时外量子效率高，适用于弱光探测，可避免前置放大电路的使用。在反向偏压下，光敏层两侧的阻挡层可阻止外电路载流子的隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式有机光电二极管以pv模式工作，此时外量子效率有限，适用于强光探测，可避免高功耗造成的器件散热和击穿等问题。

技术特征：

1.一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，包括自下而上依次层叠的透明基底层、第一透明导电电极、第一阻挡层、光敏层、第二阻挡层和第二电极；其特征在于：所述光敏层上表面具有用于俘获载流子的载流子陷阱；在正向偏压下，光敏层表面的载流子陷阱引起外电路载流子隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管以pm模式工作；在反向偏压下，光敏层两侧的第一阻挡层、第二阻挡层阻止外电路载流子的隧穿注入，使所述具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管以pv模式工作。

2.根据权利要求1所述的一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，其特征在于：所述光敏层包含一种或多种有机半导体材料。

3.根据权利要求1所述的一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管,其特征在于，所述光敏层的制备过程为：将制备光敏层的有机半导体混合溶液通过旋涂、刮涂、滴涂、喷涂或蒸镀工艺，使其覆于第一阻挡层上表面形成薄膜，再进行热退火、溶剂退火、纳米压印、模板生长或蒸镀工艺调控处理，使薄膜上表面或/和下表面形成的颗粒状缺陷形貌或凹孔缺陷形貌。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，其特征在于：所述颗粒缺陷形貌粗糙度根据需求调控。

5.根据权利要求1所述的一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，其特征在于，所述第一阻挡层和第二阻挡层均可以为电子阻挡层或空穴阻挡层，电子阻挡层材料包括poly-tpd、pvk、moo3、p3ht和pedot:pss，空穴阻挡层材料包括zno、peie、peie-zn、tio2、lif和seo2。

6.根据权利要求4所述的一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管，其特征在于，所述光敏层厚度为100nm～2000nm。

技术总结
本发明属于有机半导体技术领域，具体为一种具有光伏/倍增双工作模式的有机光电二极管。包括自下而上依次层叠的透明基底层、第一透明导电电极、第一阻挡层、光敏层、第二阻挡层和第二电极；光敏层上表面具有用于俘获载流子的载流子陷阱；在正向偏压下，光敏层表面的载流子陷阱引起外电路载流子隧穿注入，使其以PM模式工作，此时外量子效率高，适用于弱光探测，避免了前置放大电路的使用。在反向偏压下，通过光敏层两侧的阻挡层阻止外电路载流子的隧穿注入，使其以PV模式工作，此时外量子效率有限，适用于强光探测，避免了高功耗造成的器件散热和击穿等问题。

技术研发人员：王洋,刘青霞,肖建花,袁柳,太惠玲,蒋亚东
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13