Fotodetektor Organik Berkinerja Tinggi dengan Memperkenalkan Akseptor Non-Fullerene untuk Memperluas Spektrum Detektif Panjang Gelombang Panjang
Abstrak
Kami mendemonstrasikan fotodetektor organik terlihat (OPDs) broadband dengan memperkenalkan akseptor non-fullerene 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis (4-hexylphenyl)-dithieno[2,3d:2,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene (ITIC) ke dalam bulk heterojunction (BHJ) berbasis pada sistem konvensional poli(3-heksiltiofena-2,5-diil) (P3HT):[6,6]-fenil C71-butirat asam metil ester (PC71 BM) .OPD yang dihasilkan menunjukkan deteksi spesifik melebihi 10
12
Jones di seluruh wilayah yang terlihat berkisar antara 380 nm hingga 760 nm, dan deteksi tertinggi mencapai 2,67 × 10
12
Jones pada 710 nm. Spektrum penyerapan UV-Vis, fotoluminesensi keadaan tunak, mikroskop gaya atom, dan properti arus terbatas muatan ruang diterapkan untuk menganalisis karakteristik film dari OPD yang diperoleh. Karena pita serapan panjang gelombang panjang ITIC, rentang fotodeteksi spektral telah diperluas secara efektif, dan morfologi film yang lebih baik, transfer energi yang lebih efektif, dan mobilitas elektron yang berkurang pada lapisan aktif bertanggung jawab atas kemampuan fotodeteksi yang sangat baik. Skema yang diusulkan memberikan strategi yang andal untuk menerapkan OPD yang terlihat melalui pita lebar (broadband) berkinerja tinggi.
Pengantar
Cahaya tampak, sebagai bagian dari spektrum elektromagnetik yang dapat langsung dirasakan oleh penglihatan manusia (380–780 nm), memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari dan produksi industri [1]. Penginderaan jauh cahaya tampak adalah yang paling umum digunakan dalam pengintaian fotografi udara. Penginderaan citra warna juga sebagian besar didasarkan pada cahaya tampak, dll [2]. Sebagai jembatan antara sinyal optik dan sinyal listrik, fotodetektor memainkan peran yang tak tergantikan dalam aplikasi di atas, sehingga menyebabkan perhatian yang luas dan terus menerus [3]. Oleh karena itu, penelitian fotodetektor tampak kinerja tinggi sangat penting dan sangat penting. Dibandingkan dengan fotodetektor anorganik tradisional, fotodetektor organik (OPDs) telah menarik perhatian yang luar biasa untuk aplikasi dalam aplikasi elektronik yang fleksibel dan portabel karena fleksibilitasnya, penyerapan merdu, ringan, deteksi area yang luas, dan biaya persiapan yang rendah [4]. Dalam beberapa tahun terakhir, meskipun OPD telah membuat beberapa pencapaian dalam aspek seperti efisiensi kuantum eksternal yang tinggi [5], kepadatan arus gelap yang rendah [6] dan deteksi yang tinggi [7], hanya ada beberapa upaya penelitian untuk menyelidiki broadband kinerja tinggi. OPD dengan deteksi foto yang terlihat penuh hingga sekarang.
Pemanenan cahaya yang efisien dan rentang penyerapan yang luas sangat penting dalam OPD broadband. Oleh karena itu, banyak bahan donor dan akseptor dengan celah pita yang berbeda telah dikembangkan dan banyak sistem heterojungsi donor/akseptor klasik telah dibangun dalam penelitian sebelumnya [8]. Diantaranya, poli(3-hexylthiophene) (P3HT):fenil-C71-butirat asam metil ester (PC71 BM) bulk heterojunction (BHJ) telah dipelajari secara luas dalam perangkat fotovoltaik organik, karena mobilitas pembawa yang relatif tinggi, kinerja yang stabil, struktur sederhana, biaya rendah, dan proses persiapan yang matang [9, 10]. Namun demikian, meskipun respons spektral P3HT:PC71 BM mencakup 400-600 nm, tidak cukup lebar untuk membentuk fotodeteksi yang terlihat penuh, karena tidak adanya wilayah gelombang panjang. Oleh karena itu, perlu dicari metode yang efektif untuk memperluas jangkauan respon spektral P3HT:PC71 Sistem konvensional BM. Mirip dengan sel surya organik (OSCs) [11, 13,7% dengan mengintegrasikan keunggulan bahan dan dua sel biner. Energy Environ Sci 11:2134–2141" href="/articles/10.1186/s11671-019-3033-8#ref-CR12" id="ref-link-section-d292454161e695">12], memasukkan bahan ketiga ke dalam lapisan aktif adalah salah satu metode yang paling efisien dan sederhana untuk memenuhi OPD broadband dengan jangkauan photodetection diperpanjang dan kinerja yang sangat baik [13] Misalnya, Rauch et al mengembangkan P3HT:PC71 BM BHJ di mana titik-titik kuantum PbS sebagai komponen pengantar, yang berhasil memperluas jangkauan detektif OPD hingga 1800 nm [14]. Mario Caironi dkk. mengembangkan T1:P3HT:PC71 BM OPD dengan respons broadband 360–680 nm dengan memperkenalkan donor elektron serapan panjang gelombang menengah T1 [15].
Baru-baru ini, kelas baru akseptor elektron non-fullerene telah menunjukkan koefisien penyerapan yang tinggi dan sifat listrik yang sangat baik, menghasilkan perhatian luas dalam penelitian perangkat fotovoltaik [16, 17]. Dibandingkan dengan akseptor turunan fullerene konvensional, akseptor non-fullerene memiliki daya serap yang beragam dan kuat, sehingga merupakan pilihan yang lebih baik untuk diperkenalkan ke dalam sistem tradisional sebagai komponen ketiga [18]. Misalnya, Tan et al. mengembangkan alat pencampur akseptor terner dengan doping 3,9-bis(2-metilen-(3-(1,1dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2, 3d:2,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b′]dithiophene (ITIC) dalam PBDTBDD:PC60 Campuran BM untuk mencapai penyerapan komplementer yang sempurna dan PCE tinggi 10,36% [19]. Lebih lanjut, ciri khas ITIC adalah respons spektral gelombang panjang 600-800 nm, dibandingkan dengan respons gelombang pendek dan menengah yang melekat pada turunan fullerene tradisional. Oleh karena itu, ITIC mungkin cocok untuk dikombinasikan dengan P3HT:PC71 BM BHJ dengan respons 400–600 nm, yang dapat memperluas jangkauan deteksi foto ke rentang gelombang panjang untuk mewujudkan fotodeteksi efektif spektrum tampak penuh secara terus menerus.
Oleh karena itu, dalam karya ini, ITIC pertama kali diperkenalkan ke P3HT:PC71 BM sistem konvensional untuk membentuk OPD broadband. Dibandingkan dengan kontrol P3HT:PC71 BM OPD, sistem campuran terner mencapai respons spektral yang lebih luas. Sedangkan dengan tuning rasio ITIC dan PC71 BM masing-masing, OPD broadband yang mencakup pita tampak penuh dari 380 nm hingga 760 nm diperoleh, dibandingkan dengan pita deteksi foto asli 380–620 nm. Selain itu, karena wilayah pemanenan cahaya yang lebih luas, morfologi film yang lebih baik, transfer energi yang lebih efektif, dan arus gelap yang lebih rendah, OPD yang dioptimalkan menunjukkan deteksi yang tinggi sebesar 2,12 × 10
12
Jones dan 2.67 × 10
12
Jones masing-masing pada 560 nm dan 710 nm.
Metode
Struktur molekul bahan lapisan aktif yang digunakan dalam pekerjaan ini ditunjukkan pada Gambar. 1a, dan struktur OPD broadband indium timah oksida (ITO)/poli(3,4-etilendioksitiofena):polistirena sulfonat (PEDOT:PSS) (45 nm )/P3HT:PC71 BM:ITIC (100 nm)/Bphen (5 nm)/Ag (80 nm) digambarkan pada Gambar 1b. Tingkat energi bahan lapisan aktif dalam OPD broadband ditunjukkan pada Gambar. 1c. Tingkat orbital molekul kosong (LUMO) terendah dan tingkat orbital molekul terisi (HOMO) tertinggi dari P3HT, ITIC, dan PC71 BM mengikuti penyelarasan kaskade normatif, yang menunjukkan potensi jalur transportasi muatan yang efisien di antara mereka. Bphen digunakan sebagai lapisan penyangga untuk meningkatkan kemampuan transport pembawa muatan dan mengurangi quenching photo excitons pada antarmuka antara lapisan aktif dan katoda [20]. Jika tidak, HOMO Bphen lebih tinggi dari bahan aktif, yang dapat digunakan sebagai lapisan pemblokiran lubang untuk mengurangi arus gelap di bawah bias balik.
a Struktur kimia bahan lapisan aktif. b Struktur perangkat OPD. c Diagram tingkat energi OPD
Sebelum memulai fabrikasi OPD, substrat ITO berturut-turut dibersihkan dalam rendaman ultrasonik untuk setiap 10 menit dengan larutan deterjen air, pelarut aseton, air deionisasi, dan pelarut IPA, masing-masing [21]. Setelah dikeringkan dalam oven, substrat ITO ini diperlakukan dengan plasma oksigen selama 20 menit. Kemudian, PEDOT:PSS dilapisi spin pada 3000 rpm selama 60 detik pada substrat ITO. Setelah anil termal pada 150 °C selama 20 menit, substrat dipindahkan ke glovebox dengan kemurnian tinggi (O2 , H2 O < 1 ppm). P3HT, PC71 BM, dan ITIC dilarutkan dalam klorobenzena dengan perbandingan massa yang berbeda. Konsentrasi total bahan-bahan ini ditetapkan pada 30 mg ml
−1
, dan rasio massa campuran donor (P3HT) dan akseptor (PC71 BM, ITIC) ditetapkan pada 1:1. Solusi lapisan aktif diputar di atas lapisan PEDOT:PSS pada 2000 rpm selama 60 detik. Selanjutnya, film campuran dianil pada 120 ° C selama 10 menit. Diikuti dengan pengendapan Ag sebagai anoda dengan kecepatan pengendapan 5 S
−1
. Area aktif OPD ini adalah 0,02 cm
2
.
Karakterisasi Perangkat
Absorbsi ultraviolet-tampak (UV-Vis) diukur dengan menggunakan sistem spektroskopi Shimazu UV1700 UV-Vis. Fotoluminesensi kondisi tunak (PL) diukur dengan menggunakan spektroskopi Hitachi F-7000 PL. Morfologi permukaan lapisan aktif dicirikan oleh mikroskop gaya atom (AFM, AFM 5500, Agilent, Tapping Mode, Chengdu, China). Sumber cahaya digunakan sebagai simulator surya AM 1,5 G dengan daya penerangan 100 mW cm
−2
. Tegangan rapat arus (J-V ) kurva OPD dalam gelap dan di bawah penerangan diukur dengan sumber tegangan-arus Keithley 4200 yang dapat diprogram. Spektrum EQE diperoleh di bawah cahaya lampu xenon yang melewati monokromator. Semua parameter diukur pada suhu kamar (T = 300rb).
Hasil dan Diskusi
Karakterisasi Lapisan Aktif
Spektrum serapan P3HT murni, PC71 Film BM, dan ITIC ditampilkan pada Gambar 2a. PC71 BM dapat menyerap panjang gelombang pendek dari 350 nm sampai 550 nm. P3HT dapat memanfaatkan cahaya pada panjang gelombang tengah dari 450 nm sampai 600 nm. Dan akseptor elektron non-fullerene, ITIC, dapat mewujudkan penyerapan dari 600 nm hingga 800 nm. Jelas, ketiga bahan lapisan aktif ini mencapai komplementer yang menguntungkan dalam spektrum tampak penuh. Jadi, film campuran memiliki potensi luar biasa untuk mewujudkan deteksi foto tampak penuh. Selain itu, spektrum serapan lapisan aktif (P3HT:PC71 BM:ITIC) dengan rasio yang berbeda digambarkan pada Gambar 2b. P3HT:PC71 Film BM menunjukkan kapasitas penyerapan cahaya yang baik dari 400 nm hingga 600 nm, tetapi hampir tidak ada penyerapan di wilayah gelombang panjang setelah 600 nm. Setelah memperkenalkan ITIC, puncak serapan baru dihasilkan dari 600 nm hingga 750 nm karena kontribusi ITIC. Dengan peningkatan bertahap penggabungan ITIC, kapasitas penyerapan film campuran dalam panjang gelombang panjang meningkat secara bertahap, yang bermanfaat untuk memperluas spektrum detektif panjang gelombang panjang P3HT:PC71 sistem kendali BM. Selanjutnya, intensitas penyerapan pada panjang gelombang pendek dan panjang dapat diatur secara efektif dengan memvariasikan rasio PC71 BM dan ITIC. Secara khusus, intensitas penyerapan seimbang dicapai ketika rasio massa lapisan aktif adalah 1:0,5:0,5, yang jelas bermanfaat untuk menyeimbangkan fotodeteksi OPD dalam panjang gelombang pendek dan panjang secara bersamaan dan mewujudkan OPD broadband dengan fotodeteksi yang terlihat penuh.
a Penyerapan P3HT murni, PC71 BM, dan film ITIC. b Spektrum serapan lapisan aktif dengan rasio yang berbeda
Untuk menyelidiki pengaruh pengenalan ITIC pada transfer energi pada lapisan aktif, uji fotoluminesensi (PL) keadaan tunak dilakukan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3a, ketika tereksitasi oleh cahaya 500 nm, film P3HT dan ITIC yang rapi menunjukkan puncak PL masing-masing pada 640 nm dan 760 nm. Dibandingkan dengan film P3HT yang rapi, intensitas PL dari P3HT sangat berkurang dalam film P3HT:ITIC, yang menunjukkan adanya transfer energi antara P3HT dan ITIC [22]. Demikian pula, emisi PL dari P3HT sangat dipadamkan dengan doping dengan PC71 BM di P3HT:PC71 Film BM, yang menunjukkan transfer energi analog yang efisien antara P3HT dan PC71 BM Terlebih lagi, saat memperkenalkan ITIC ke P3HT:PC71 Film campuran BM, intensitas PL hampir sepenuhnya padam, dan kurva PL dari film campuran ternary berada di bawah semua kurva lainnya. Artinya, baik ITIC maupun PC71 BM dapat secara terkoordinasi mentransfer energi dalam film terner. Disimpulkan bahwa efisiensi transfer energi film terner lebih baik daripada film biner. Dikombinasikan dengan fakta bahwa yang pertama memiliki rentang penyerapan cahaya yang lebih luas daripada yang terakhir untuk menangkap lebih banyak foton untuk berkontribusi pada arus foto, ini menunjukkan P3HT:PC71 BM:ITIC OPD mungkin memiliki arus foto yang lebih tinggi daripada P3HT:PC71 BM OPD dalam teori.
a Spektrum PL film di bawah eksitasi cahaya 500 nm. bJ-V karakteristik perangkat elektron saja
Untuk menyelidiki pengaruh sifat transportasi pembawa muatan dengan pengenalan ITIC, model arus terbatas muatan ruang (SCLC) diadopsi untuk pengukuran mobilitas. Perangkat elektron saja dibuat dengan struktur ITO/ZnO (30 nm)/P3HT:PC71 BM:ITIC (100 nm)/Bfen (5 nm)/Ag (80 nm). SCLC dijelaskan oleh persamaan Mott–Gurney [23]:
dimana ε0 adalah permitivitas vakum, ε adalah permitivitas relatif bahan organik, μ adalah mobilitas pembawa muatan, V adalah tegangan yang diberikan, dan d adalah ketebalan lapisan aktif. J-V karakteristik dalam kondisi gelap untuk perangkat elektron saja dengan lapisan aktif yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3b. Menurut Persamaan. (1), mobilitas elektron perangkat dengan rasio yang berbeda adalah 1,48 × 10
−3
cm
2
V
−1
s
−1
, 8.92 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
, 7.89 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
, 4.75 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
, dan 4,43 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
, masing-masing. Dengan meningkatnya proporsi ITIC, mobilitas elektron perangkat menurun secara signifikan karena mobilitas elektron ITIC lebih rendah daripada PC71 BM [24], yang dapat menyebabkan arus gelap OPD berkurang setelah pengenalan ITIC [25].
Untuk OPD, morfologi permukaan lapisan aktif memiliki pengaruh besar pada transportasi muatan dan disosiasi eksiton. Lapisan aktif dengan morfologi permukaan yang menguntungkan dapat menghambat rekombinasi muatan dan meningkatkan arus foto [26]. Oleh karena itu, morfologi permukaan lapisan aktif dengan rasio yang berbeda diselidiki oleh mikroskop gaya atom (AFM), yang digambarkan pada Gambar. 4. Menurut gambar ketinggian, permukaan P3HT:PC71 BM:ITIC (1:1:0) film agak kasar dan kekasaran root-mean-square (RMS) sekitar 0,932 nm. Dari gambar fasa, kita dapat melihat bahwa susunan molekul tidak sepenuhnya seragam dan teratur. Setelah mendoping beberapa bagian ITIC ke dalam campuran (1:0.7:0.3, 1:0.5:0.5, 1:0.3:0.7), morfologi permukaan lapisan aktif sangat berubah dan kekasaran RMS turun menjadi 0,690 nm, 0,634 nm, dan 0,701 nm, masing-masing. Variasi RMS dapat dikaitkan dengan keadaan agregasi yang berubah, seperti yang dapat dilihat dari diagram fase. Dibandingkan dengan P3HT:PC71 Film biner BM, film campuran yang didoping ITIC menunjukkan permukaan yang lebih halus dan susunan molekul yang lebih teratur. Namun, ketika rasio campuran menjadi 1:0:1, kekasaran RMS meningkat menjadi 1,386 nm dan morfologi film tidak cukup halus yang disebabkan oleh agregasi molekul granular yang tidak diinginkan, yang dapat menyebabkan peningkatan rekombinasi muatan dan arus foto yang rendah. Menurut hasil karakterisasi AFM, film campuran terner memiliki karakteristik morfologi yang lebih baik daripada film biner, hal ini disebabkan oleh susunan molekul yang teratur dari dua akseptor sehingga mengurangi agregasi molekul pada film terner.
Gambar ketinggian AFM (a –e ) dan gambar fase (f –j ) dari P3HT:PC71 BM:ITIC lapisan aktif dengan berbagai rasio
Menurut spektrum serapan lapisan aktif, pita serapan panjang gelombang panjang dari ITIC yang diperkenalkan harus dapat memperluas rentang fotodeteksi panjang gelombang panjang OPD secara efektif. Selain itu, pengenalan ITIC juga mengubah sifat listrik dan morfologi permukaan lapisan aktif. Dari perspektif SCLC, pengenalan ITIC mengurangi mobilitas elektron dari lapisan aktif, yang jelas akan mengurangi kapasitas transpor pembawa perangkat. Ini akan memiliki efek merugikan yang sama pada arus gelap dan arus foto. Namun, pengenalan ITIC juga memungkinkan lapisan aktif untuk menangkap lebih banyak foton dari panjang gelombang panjang untuk berkontribusi arus foto, yang mengatasi efek buruk dari mobilitas elektron rendah pada arus foto dalam kondisi cahaya. Morfologi film yang lebih baik dan transfer energi yang lebih efektif pada lapisan aktif terner juga bermanfaat untuk arus foto yang sangat baik. Kesimpulannya, arus gelap akan berkurang dengan penambahan ITIC, sedangkan arus foto akan berubah secara teratur di bawah pengaruh berbagai faktor. Oleh karena itu, perlu untuk mempersiapkan OPD yang dibangun oleh lapisan aktif dengan rasio yang berbeda untuk menentukan arus foto yang tinggi dan arus gelap yang rendah, sehingga dapat mencapai kinerja deteksi foto yang sangat baik.
Kinerja OPD
Gambar 5 menunjukkan parameter kinerja listrik OPD dengan rasio lapisan aktif yang berbeda. J-V kurva OPD dalam kondisi terang dan gelap disajikan pada Gambar. 5a. Seperti yang ditunjukkan, OPD dengan rasio massa lapisan aktif yang berbeda memiliki arus foto dan arus gelap yang berbeda secara signifikan. Konkretnya, sebagai P3HT:PC71 Rasio BM:ITIC berubah dari 1:1:0 menjadi 1:0,5:0,5, arus foto terus meningkat, yang disebabkan oleh perluasan jangkauan pemanenan cahaya, transfer energi yang efisien, dan morfologi film yang lebih baik dalam campuran terner. Sebaliknya, sebagai P3HT:PC71 Rasio BM:ITIC berubah dari 1:0,5:0,5 menjadi 1:0:1, arus foto terus turun. Namun, arus gelap terus menurun seiring dengan meningkatnya rasio ITIC, yang dikaitkan dengan berkurangnya mobilitas elektron dan transportasi pembawa muatan yang tidak menguntungkan yang disebabkan oleh penambahan ITIC yang berlebihan. Tren perubahan arus foto dan arus gelap konsisten dengan perubahan sifat film yang disebabkan oleh perubahan rasio terner lapisan aktif. Karakteristik rasio on/off OPD diselidiki pada Gambar 5b. OPD 1:0,5:0,5 menunjukkan rasio hidup/mati tertinggi di wilayah bias balik daripada OPD lainnya, menunjukkan properti sakelar yang jauh lebih baik, yang disebabkan oleh arus foto tertinggi dan arus gelap yang lebih rendah.
aJ -V karakteristik OPD dengan berbagai rasio dalam kondisi gelap dan terang. b Rasio on/off OPD. c Karakteristik respons/pemulihan OPD di bawah modulasi nyala/mati lampu. dJSC OPD sebagai fungsi intensitas cahaya
Selain itu, untuk memastikan OPD memiliki kemampuan respons yang stabil dan dapat dipulihkan, rapat arus sebagai fungsi waktu ditunjukkan pada Gambar 5c untuk OPD broadband dengan berbagai rasio. Sinyal arus siklis direkam pada modulasi hidup/mati dari penerangan cahaya. Setiap siklus adalah 20 detik dengan waktu pemaparan 10 detik dan total durasi 120 detik. Hasilnya menunjukkan bahwa arus setiap OPD meningkat secara signifikan di bawah penerangan dan kembali ke tingkat semula setelah lampu dimatikan. Jelas bahwa OPD ini memiliki karakteristik respons/pemulihan yang stabil dan dapat diulang, yang diinginkan untuk aplikasi praktis [27].
Untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh rasio ITIC pada rekombinasi OPD dalam kondisi terang, JSC sebagai fungsi dari intensitas cahaya diplot. Secara umum, ketergantungan hukum kekuasaan antara JSC dan Aku dapat dinyatakan sebagai JSCAku
α
. Ketika mendekati 1, rekombinasi bimolekuler relatif lemah [28, 29]. Seperti ditunjukkan pada Gambar 5d, OPD dengan rasio 1:1:0, 1:0,7:0,3, dan 1:0,5:0,5 memiliki nilai yang sama, yaitu masing-masing 0,817, 0,797, dan 0,803. Ini berarti bahwa ketiga OPD ini memiliki tingkat rekombinasi bimolekuler yang serupa. Namun, karena pengenalan ITIC, lebih banyak foton gelombang panjang yang diserap di lapisan aktif terner, sehingga arus foto OPD dengan doping sedang ITIC lebih besar daripada P3HT:PC71 OPD BM. Dengan semakin mengubah rasio ternary menjadi 1:0.3:0.7 dan 1:0:1, nilai turun menjadi 0,713 dan 0,680, masing-masing. Hal ini menunjukkan bahwa sejumlah besar doping ITIC mengintensifkan rekombinasi dan secara signifikan mengurangi arus foto.
Untuk menggambarkan karakteristik respons spektral OPD, kurva EQE OPD dengan berbagai P3HT:PC71 BM:Rasio ITIC ditunjukkan pada Gambar. 6a. Dan beberapa parameter kinerja deteksi spektral pada panjang gelombang tertentu yang berbeda tercantum dalam Tabel 1. Perangkat berdasarkan biner P3HT:PC71 Film BM menunjukkan puncak EQE datar yang mencakup kisaran 400–600 nm, dikaitkan dengan penyerapan P3HT dan PC71 BM Setelah memperkenalkan non-fullerene, ITIC, ke dalam P3HT:PC71 BM, kurva EQE dari OPD broadband meluas hingga 760 nm, dan puncak spektral baru dari 650 nm hingga 750 nm dihasilkan. Selanjutnya, intensitas respons relatif dari rentang spektral yang berbeda dapat disetel dengan mengubah rasio massa P3HT, PC71 BM, dan ITIC. Dari kurva EQE, sinergi antara donor dan akseptor pada rasio massa optimal, 1:0,5:0,5, menyeimbangkan EQE seluruh panjang gelombang. Kurva EQE lebar dan datar secara intuitif menunjukkan bahwa OPD broadband yang diolah dengan ITIC secara efektif memperluas rentang respons optik kontinu ke rentang gelombang panjang, mencakup seluruh spektrum tampak 380–760 nm.
a Mengukur spektrum EQE OPD dengan berbagai rasio. b Dihitung R nilai OPD. c Dihitung D * nilai OPD
Responsivitas (R ) menggambarkan kemampuan konversi dari foton ke pembawa muatan OPD, yang digunakan untuk menentukan kemampuan respon cahaya [30]. R dihitung sebagai Persamaan. (2):
di mana EQE adalah efisiensi kuantum eksternal, q adalah muatan elektron, λ adalah panjang gelombang cahaya datang, h adalah konstanta Planck, dan v adalah frekuensi cahaya. Menurut Persamaan. (2), tren R tergantung pada EQE dan λ ketika parameter lainnya konstan. Hasil perhitungan R nilai ditunjukkan pada Gambar. 6b dan Tabel 1. Mirip dengan kurva EQE, OPD berbasis 1:0.5:0.5 memperoleh R yang lebih tinggi dari OPD lain di kedua panjang gelombang panjang dan rentang panjang gelombang pendek. R nilai pengoptimalan OPD broadband mencapai 0,21 A W
−1
dan 0,25 A W
−1
masing-masing pada 560 nm dan 710 nm. R . yang lebar kurva menunjukkan bahwa OPD broadband yang didoping dengan jumlah ITIC yang sesuai dapat menyerap cahaya datang dari spektrum tampak penuh secara merata dan mengubahnya menjadi arus foto secara efisien.
Sebagai parameter kinerja paling penting dari OPD, D * digunakan untuk menentukan fotosensitifitas OPD. D * dari OPD dapat didefinisikan sebagai Persamaan. (3):
Hasil perhitungan D * ditunjukkan pada Gambar. 6c. Untuk OPD kontrol berdasarkan P3HT:PC71 BM, deteksinya melebihi 1,0 × 10
12
Jones dari 380 nm hingga 600 nm dan mencapai 1,67 × 10
12
Jones pada 560 nm. Sebagai perbandingan, doping OPD oleh ITIC telah memperluas jangkauan deteksi foto efektif hingga spektrum tampak penuh 380-760 nm. Secara spesifik, deteksi OPD yang diperoleh dengan rasio 1:0.5:0.5 mencapai 2.12 × 10
12
Jones dan 2.67 × 10
12
Jones masing-masing pada 560 nm dan 710 nm. Di satu sisi, jangkauan fotodeteksi OPD telah diperluas dengan penambahan ITIC. Di sisi lain, deteksi OPD pengoptimalan dalam spektrum tampak penuh lebih tinggi daripada OPD lainnya, yang disebabkan oleh arus foto yang tinggi dan arus gelap yang rendah pada rasio pengoptimalan lapisan aktif.
Kesimpulan
Singkatnya, OPD berkinerja tinggi dengan deteksi cahaya tampak penuh dibuat dengan memasukkan akseptor ITIC non-fullerene ke dalam P3HT:PC71 sistem kendali BM. Ketiga bahan membentuk spektrum komplementer, yang bersama-sama secara efektif mewujudkan fotodetektor broadband yang mencakup seluruh spektrum yang terlihat. Selain itu, OPD dengan rasio P3HT:PC71 yang sesuai BM:ITIC menunjukkan kemampuan pemanenan foton yang lebih baik, arus gelap yang lebih rendah, transfer energi yang lebih efisien, dan morfologi film yang lebih baik untuk meningkatkan deteksi. Hebatnya, pendekatan kami ringkas, sangat dapat direproduksi, dan dapat diskalakan. Pekerjaan kami menunjukkan bahwa memilih akseptor elektron non-fullerene dan sistem biner yang sesuai untuk membangun lapisan aktif spektrum penyerapan cahaya komplementer adalah metode yang efektif untuk mencapai OPD broadband kinerja tinggi, yang akan diterapkan secara luas dalam penelitian mendatang.
