倍增型有机光电探测器的研究进展

介绍了倍增型有机光电探测器的发展、工作机理、性能调控及相关的应用探索. 2015年张福俊课题组以单载流子传输通道的给受体混合(质量比约为100:1)薄膜为有源层，率先报道了界面附近受陷电子诱导空穴隧穿注入的倍增型有机光电探测器，并抑制了器件的暗电流密度.通过优化有源层厚度调控了界面附近受陷电荷的体分布，制备出超窄响应的倍增型有机光电探测器，并提出载流子注入窄化的新概念.利用三元策略及双层策略，制备出了宽响应倍增型有机光电探测器.利用光子俘获层调控器件的响应范围，以及利用倍增层获得了较大的外量子效率，将二极管型与倍增型器件的优势集中在一个器件中.引入光学调控层或将宽带隙材料引入有源层中，调控界面附近受陷电子分布，优化了器件的光谱形状，进而制备出响应光谱宽且平的倍增型有机光电探测器.将制备的倍增型有机光电探测器应用到心率监测、单像素成像及光开关等领域，取得较好的应用成果.     

倍增型窄带响应有机光电探测器的界面调控

倍增型窄带响应有机光电探测器, 具有响应窗口窄且外量子效率(EQE)高等优势, 在需要检测特定波长光的应用场景受到广泛关注. 此类器件的有机光活性层由给体和受体组成, 其中受体在电极界面的浓度分布显著影响窗口半峰宽和EQE, 因此其精准调控至关重要. 本工作中, 将有机光活性层中的给体和受体分步成膜, 利用热退火下给受体互扩散特性, 实现了受体在电极界面的浓度分布的可控调节. 相比传统的给体和受体共混成膜的器件, 给体和受体分步成膜的器件通过优化给受体比例和热退火条件, 展现出了更加优异的器件性能.     

利用扫描开尔文探针显微镜观察薄膜光电器件能级排布

薄膜光电器件的能级结构直接决定了载流子的产生、分离、传输、复合和收集等微观动力学过程,从而决定了器件性能。因此准确获取器件能级结构,是深入理解器件工作机制、推动器件技术革新的重要科学依据。此专论系统地介绍了本课题组利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征薄膜光电器件如有机太阳能电池、有机-无机钙钛矿光探测器等器件中界面能级结构的工作。垂直型薄膜器件中的活性材料层被顶电极与底电极封闭,通常难以直接在器件工况下测量其中的界面能级排布,我们发展了横截面SKPM技术来解决这一难题。研究表明,界面层是调控器件能级结构、决定器件极性、提高器件性能的重要手段。本文介绍的表征技术有望在各种薄膜光电器件,诸如光伏器件、光探测器、发光二极管,尤其是各种叠层构型器件的研究中展现出广阔的应用前景。     

基于稀土配合物的有机光盲型紫外探测器

使用二苯甲酰甲烷-二苯菲罗啉-铕(Eu(DBM)3BPhen)作为电子给体和[6,6]-苯基-C61-丁酸酸甲酯([60]PCBM)作为电子受体制备了一种新型的有机光盲型紫外探测器.在光强为2.1 mW cm-2且波长为360 nm的紫外光照射下,获得了26 mA W-1的响应度和9.1%的外量子效率,这是由于Eu(DBM)3BPhen的强紫外光吸收能力和长达300μs的激子寿命使得给受体界面处具有较高的激子解离率.在把[60]PCBM掺入Eu(DBM)3BPhen后,观察到了明显的光致发光猝灭和光电导现象.由于材料较低的载流子迁移率和受陷激子的缓慢释放,在紫外光照射关闭后,观察到了较强的持续光电导现象.     

侧链调控在有机光电高分子材料中的应用研究进展

有机光电聚合物材料是由共轭主链与柔性侧链组成,具有制备简单、成本低廉、重量轻及可制成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究的前沿和热点.目前对聚合物材料主链结构的优化研究较多,基于侧链调控的报道则相对较少.对主链共轭高分子光电材料侧链调控的目的主要是改善材料的溶解性能,然而,侧链修饰的影响远非如此.研究发现,侧链修饰后聚合物材料的吸收光谱、能级分布、载流子迁移率、器件共混膜形貌以及界面形态等光电性能方面可发生不同程度的变化.此类研究成果无疑将对设计与优化有机聚合物材料分子结构、活性层形貌与界面形态以及器件制备方法和加工工艺具有指导意义.同时,随着器件制备方法的不断改进以及加工工艺的不断发展,为进一步改善器件效率,提高纳米活性材料的形貌调控与界面形态优化能力,基于有机光电高分子材料侧链调控的研究价值日益突显.因此,结合高分子光电材料应用领域的研究现状,以聚合物分子侧链结构优化设计为出发点,基于侧链调控为主题,以不同的修饰侧链为研究对象,对光电高分子材料侧链调控中拟解决的问题及本实验室的相关工作做主要综述.     

水/醇溶共轭聚合物界面材料及其在光电器件中的应用

相对于传统的无机半导体器件,以有机半导体(特别是聚合物半导体)材料为基础的有机光电器件,可采用与传统印刷技术(例如喷墨打印、卷对卷印刷等)相结合的溶液加工方式制备低成本、大面积、柔性光电器件,因而成为广泛关注的焦点,并得到了快速发展.实现溶液加工的高效有机光电器件的一个关键问题是界面问题——如何避免溶液加工时有机层间的互溶以及如何实现可印刷稳定金属电极的高效电子注入等.水/醇溶性共轭聚合物的迅速发展为解决溶液加工多层有机光电器件所面临的界面问题提供了有效手段.研究发现,水/醇溶共轭聚合物不但可以有效避免溶液加工多层器件中的界面互溶,而且还可与高功函数的稳定金属发生界面偶极相互作用而增强其电子注入,从而解决了高功函数稳定金属电子注入的难题,为实现全溶液加工的高效印刷有机光电器件提供了可行的方案.本文介绍了近年来本课题组在水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料及器件应用方面的研究进展,并对水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的工作机理进行了探讨.     

金属配合物在有机太阳电池中的应用进展

有机太阳电池因具有质量轻、色彩丰富及可制备柔性大面积器件等优势而备受关注.开发高性能的活性层给、受体材料及界面层材料是提升有机太阳电池光电性能的关键.金属配合物兼具金属配位的自组装有序性和有机分子的结构多样性,且具有较高的三线态激子密度和较长的激子寿命,是一类重要的光电功能材料.随着对不同金属配合物光电性质的不断研究,越来越多的金属配合物光电材料被应用于有机太阳电池中,并获得了较高的器件光电性能.本文综述了基于铂、锌、铱、钌、锆等金属的配合物在有机太阳电池活性层、界面层及添加剂中的应用,并对其结构-性能关系进行了深入分析,最后对这类材料面临的挑战与机遇进行了展望,以便为高性能金属配合物材料的设计及其在有机太阳电池中的应用提供参考与启发.     

有机光电突触器件的研究与进展

大脑对视觉信息学习和记忆等功能的实现是通过视觉神经元调控突触权重进行的,对光响应的突触器件是实现低能耗人工视觉系统和神经形态计算的关键.因此,近年来有机光电突触器件引起了学术界的广泛关注.本文指出有机光电突触器件结合了有机光电探测器和有机忆阻器2个基本光电子器件功能,实现对光信息的传感和记忆,介绍了光电突触器件的基本性...     

聚合物在受限层空间中的形态结构演变及相关性能研究进展

自然界中的层状有序结构如强韧的贝壳、树木等,往往带来优异的性能或特殊的功能。作为仿生材料学在高分子加工成型技术中的应用,聚合物微纳层共挤出技术是通过特殊的流道设计对聚合物熔体进行多次强制分割叠加,来制备高性能交替多层聚合物材料的新方法。层倍增器单元对熔体的多重力场作用,为多相多组分体系形态的原位调控提供了可能。而通过两相交替层状排布形成的受限层空间和丰富的层界面不仅赋予了材料独特的力学、光电、阻隔等性能,还为聚合物结晶调控提供了理想的研究模型。本文简要综述了近年来在层倍增过程中聚合物的形态结构演变及其对相关性能影响方面的研究进展。     

阴极界面修饰层改善平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池的光伏性能

有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体材料结合了有机材料良好的溶液可加工性以及无机材料优越的光电特性,近几年受到了热捧,成为太阳能电池领域一颗耀眼的明星. 伴随着钙钛矿薄膜结晶过程和形貌的优化、器件结构的改进以及电极界面材料的开发,这类有机/无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提高到目前最高的22.1%. 其中界面工程在提升器件性能上发挥着极其重要的作用. 本文总结了平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池中阴极界面修饰层（CBL）的研究进展. CBL从材料上讲可分为无机金属氧化物、金属或金属盐以及有机材料,从构成上讲可分为单层CBL、双层CBLs以及共混型CBL. 本文对这些类型的CBL分别给予详细的介绍. 最后,我们归纳出CBL在改善器件效率和稳定性上所起的作用以及理想CBL所应满足的要求,希望能为以后阴极界面修饰材料的设计提供一定的借鉴.     

共轭聚合物光电探测器研究进展

相较于传统无机半导体材料,有机共轭聚合物半导体具有响应光谱高度可调、质量轻、可大面积制备、与柔性基板兼容等优点,其作为光活性层在下一代可穿戴光电探测器的应用中显示出巨大的应用潜力.共轭聚合物具有多样化的结构设计,不同的分子结构对其光物理化学性能可进行灵活调控,进而展现出各具特色的光电特性.同时,通过结构优化亦可赋予共轭...     

聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展

聚合物太阳能电池以其质量轻、成本低、制备工艺简单等优点成为清洁能源利用的研究热点.近年来聚合物太阳能电池光电转换效率逐步提高,单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,其中器件的界面修饰层成为影响器件光伏性能的重要因素.本文总结了聚合物太阳能电池阴极修饰层的研究进展,分别从无机材料和有机材料两方面介绍了常用的阴极修饰层材料.无机材料包括金属氧化物、金属和金属化合物等,有机材料包括聚合物、富勒烯衍生物以及n-型有机半导体材料等.本文还从阴极修饰层的电学特性、光学特性、能级位置、表面形貌、界面接触等方面讨论了其对聚合物太阳能电池光伏性能的影响,展望了聚合物太阳能电池的发展前景.     

有机复合光电导材料及器件研究进展

有机光电导复合材料已经成为当前国际上有机光电材料科学研究的前沿与热点之一。复合化是大幅度提高有机半导体材料光电导性能的有效手段,本文主要从有机光电导材料的复合化角度,综述了新型高效的多种有机复合光电导材料体系的制备及其光电导性能,初步解释了其相应的复合原理和光电导机理,并介绍了其在单层型光电导器件中的研究进展。最后提出了制备高性能有机光电导复合材料及单层型光电导器件的几点建议。     

高效率有机太阳能电池的界面工程研究

有机太阳能电池(OSC)为典型的三明治结构,是以共轭类有机化合物为活性层材料将太阳光转换为电能,通过两个电极输出电流。这些有机物具有来源广、质量轻和可再生等优点,使得有机太阳能电池在清洁新能源领域备受关注。当前研究的焦点仍然是提高电池的光电转换效率,主要通过改善活性层材料、优化器件结构和界面修饰等途径。本文重点介绍了作者课题组在界面工程方面所做的代表性工作,通过引入含磺酸基团或羧酸基团的超支化结构的聚合物阴极修饰层材料,获得了高效的OSCs;合成了新颖的非共轭有机小分子电解质修饰层,制备了高达10.02%效率的单结正型OSCs。此外,还研究了简单的极性溶剂处理,如甲醇能够优化活性层形貌,提高电池器件的性能。     

有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的应用

有机/聚合物光探测器因其具有响应光谱大范围可调、可制备柔性化器件以及可溶液加工等优势,受到研究人员的广泛关注.随着近年来有机/聚合物光电材料体系的迅速发展,有机/聚合物光探测器的各项性能指标已经可以与商业化硅基光探测器媲美,甚至在短波红外光区的响应性能已经超越硅基光探测器,这使其显示出巨大的应用潜力.特别是在医疗健康领域中,具有轻、薄、柔性等优势的有机/聚合物光探测器受到了广泛的关注,为新型便携式健康监测设备的发展提供了新的技术可能.本文围绕有机/聚合物光探测器,综述了近年来有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的研究进展,并对与之相关的应用原理进行了分析与讨论,最后指出了有机/聚合物光探测器在医疗健康领域中的发展潜力,展望了其未来的发展.     

有机光敏二极管的功能材料探索及其器件结构

有机光敏二极管具有功能材料种类丰富、光敏波长可调控、成本低和可在柔性基底上制备等优点,在图像传感、免疫探测、光学通信等方面有着重要的应用前景.本文对近年来引起广泛关注的一些有机光敏二极管材料进行了归纳,探讨了它们在对不同波长敏感的光敏器件中的特性,总结了有机光敏二极管的结构优化、界面修饰和界面传输机理及其内部光强分布的相关研究,并介绍了一些基于有机光敏二极管的光电功能器件实际应用.最后,对有机光敏二极管未来的发展方向和应用前景进行了展望.     

钙钛矿基近红外光电探测器

近年来,具有ABX₃晶体结构的金属卤化物钙钛矿材料因其可调带隙、高吸收系数、长载流子传输距离等光电学特性而在光电探测领域表现出良好应用前景,尤其是基于纯Sn或者Sn/Pb混合阳离子制备的杂化钙钛矿在760～1050nm范围的近红外光电响应性能非常优异,展现出高灵敏度、低暗电流和高探测率等多方面优势。为进一步拓宽钙钛矿的近红外以及红外响应波长范围,研究人员探索了将有机材料、晶体硅/锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅳ-Ⅵ族化合物、上转换荧光材料等作为互补光吸收层与钙钛矿结合制备异质结来构筑出宽谱响应的近红外光电探测器。基于以上研究,本文总结了当前拓宽钙钛矿光电探测器的光谱范围的有效途径。同时,对钙钛矿材料的近红外光电探测器的未来发展前景作出了展望。     

白炭黑/聚氧化丙烯悬浮液的分子弛豫与流变行为

气相二氧化硅/聚醚低聚物悬浮液体系广泛应用于涂料、胶黏剂、锂离子电池、液体防弹衣等诸多领域.然而,聚醚与白炭黑界面相互作用复杂,所形成的界面吸附层显著影响悬浮液的流变行为,界面层结构与流变行为调控是长期困扰学术界和工业界的难题.本文工作详细研究了白炭黑/线形丙二醇低聚物(PPG)界面层结构与流变行为,考察了PPG分子量(0.4～4 kg/mol)的影响机制.研究发现,PPG分子量影响其在白炭黑附近的受限状态和悬浮液流变行为.分子量为0.4 kg/mol时,PPG通过端羟基与白炭黑表面硅羟基间氢键作用而形成较厚((1.0±0.2) nm)的玻璃化层,玻璃化层几何逾渗导致悬浮液在10 rad/s下呈现溶胶-凝胶转变;分子量为1～2 kg/mol的PPG在白炭黑粒子表面形成较薄((0.8±0.1) nm)的玻璃化层,分子量为3～4 kg/mol的PPG则在白炭黑粒子表面形成受限层,悬浮液在10 rad/s下呈溶胶行为.玻璃化层几何逾渗和悬浮液溶胶-凝胶转变之间的关系说明,界面层分子受限程度和流变行为均受PPG羟基密度及其与白炭黑界面相互作用的影响.     

路易斯碱负离子掺杂有机半导体:原理、应用和展望

掺杂是改善有机半导体载流子浓度和电荷输运能力的有效方法.路易斯碱负离子电子转移掺杂有机半导体,逐渐发展成为了一种温和、可控和可溶液加工的n型掺杂方法,并在有机光电器件中展现出较好的应用.本综述旨在探讨路易斯碱负离子和n型半导体之间的电子转移机制及其影响因素,总结基于该策略开发的界面材料和活性层掺杂等方面的应用,并展望其未来的发展方向.     

小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池研究进展

有机太阳能电池具有低成本、柔性和质量轻等优势, 是一种有应用前景的光伏技术, 受到人们的广泛关注. 有机太阳能电池的光敏活性层通常由p-型有机半导体(包括小分子和高分子)与n-型有机半导体(包括小分子和高分子)共混而成. 小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池具有形貌热稳定性优异的特点, 值得深入研究. 本综述旨在总结小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池的研究进展, 分别介绍了基于酰亚胺基、氰基和含硼氮配位键(B←N)的高分子受体的活性层材料体系的发展状况. 在器件性能方面, 通过分子设计、相分离形貌调控, 改善了小分子给体/高分子受体的匹配性, 将该类电池的能量转换效率从最初的0.29%提升至目前的9.51%, 为性能的进一步提升总结了经验; 在稳定性方面, 基于该体系形貌热稳定性优异的特点, 开发出高温耐受型有机太阳能电池器件. 最后, 展望了小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池的未来发展方向和前景.