ISSN 1000-3304CN 11-1857/O6

光敏层厚度与退火温度调控对聚3-已基噻吩光电探测器性能的影响

高诗佳 王鑫 张育林 张赛 乔文强 王植源

引用本文: 高诗佳, 王鑫, 张育林, 张赛, 乔文强, 王植源. 光敏层厚度与退火温度调控对聚3-已基噻吩光电探测器性能的影响[J]. 高分子学报. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19206 shu
Citation1:  Shi-jia Gao, Xin Wang, Yu-lin Zhang, Sai Zhang, Wen-qiang Qiao and Zhi-yuan Wang. Effects of Annealing Temperature and Active Layer Thickness on the Photovoltaic Performance of Poly(3-hexylthiophene) Photodetector[J]. Acta Polymerica Sinica. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19206 shu

光敏层厚度与退火温度调控对聚3-已基噻吩光电探测器性能的影响

    通讯作者: 乔文强, E-mail: wqqiao@dlut.edu.cn 王植源, E-mail: wwjoy@dlut.edu.cn
摘要: 以聚3-己基噻吩(P3HT)为给体材料,富勒烯衍生物(PC61BM)为受体材料,制备了一系列结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/C60/Al的体异质结光电探测器. 研究了120、160、180与200 nm不同光敏层厚度,100、120、130、140与150 °C不同退火温度等条件对器件性能的影响,并采用原子力显微镜(AFM)对光敏层形貌进行了分析. 研究发现,基于180 nm厚光敏层、150 °C退火处理的器件,在−2 V的偏压下550 nm处有最大响应度,为268 mA/W,并且在470 ~ 610 nm范围内响应度都超过了200 mA/W;基于180 nm厚光敏层、120 °C退火处理的器件有最大线性动态范围,为95 dB. 研究表明,适当厚度的光敏层有利于提高光吸收效率与器件的光伏性能;退火处理,可以使光敏层形成均匀的互穿网络结构,进而减小空穴与电子的复合概率,提高器件的光伏性能.

English

    1. [1]

      Xu J J, Hu J C, Liu X F. Macromol Rapid Commun, 2009, 30(16): 1419 − 1423 doi: 10.1002/marc.200900132

    2. [2]

      Qi J, Qiao W Q, Wang Z Y. Chem Rec, 2016, 16: 1531 − 1548 doi: 10.1002/tcr.201600013

    3. [3]

      Cui Yong(崔勇), Yao Huifeng(姚惠峰), Yang Chenyi(杨晨熠), Zhang Shaoqing(张少青), Hou Jianhui(侯剑辉). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2018, (2): 223 − 230 doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17297

    4. [4]

      Yang Peipei(杨佩佩), Dong Lichao(董立超), Li Yuanyuan(李园园), Zhang Longlong(张龙龙), Shi Jianbing(石建兵), Zhi Junge(支俊格), Tong Bin(佟斌), Dong Yuping(董宇平). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2017, (8): 1285 − 1293 doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2017.17001

    5. [5]

      Yao Huifeng(姚惠峰), Hou Jianhui(侯剑辉). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2016, (11): 1468 − 1481

    6. [6]

      Deng Yanghua(邓阳华), Xiao Haibin(肖海斌), Qiao He(乔贺), Tan Songting(谭松庭). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2017, (6): 922 − 929 doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2017.16314

    7. [7]

      Lu Junming(卢俊明), Cai Wanqing(蔡万清), Zhang Guichuan(张桂传), Liu Shengjian(刘升建), Ying Lei(应磊),Huang Fei(黄飞). Acta Chimica Sinica(化学学报), 2015, 73: 1153 − 1160 doi: 10.6023/A15080546

    8. [8]

      Huang Fei(黄飞), Cao Yong(曹镛). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2016, (4): 399 − 401 doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2016.16111

    9. [9]

      Azzellino G, Grimoldi A, Binda M, Caironi M, Natali D, Sampietro M. Adv Mater, 2013, 25: 6829 − 6833 doi: 10.1002/adma.201303473

    10. [10]

      Ruderer M A, Metwalli E, Wang W. ChemPhysChem, 2009, 10: 664 − 671 doi: 10.1002/cphc.200800773

    11. [11]

      Hu Z Y, Zhang J J, Huang L K, Sun J Y, Zhang T, He H Y, Zhang J. Renew Energ, 2015, 74: 11 − 17 doi: 10.1016/j.renene.2014.07.034

    12. [12]

      Liu X L, Wang H X, Yang T B, Zhang W, Gong X. ACS Appl Mater Interfaces, 2012, 4(7): 3701 − 3705 doi: 10.1021/am300787m

    13. [13]

      Kim C-H, Cha S-H, Kim S C, Song M K, Lee J, Shin W S, Moon S J. ACS Nano, 2011, 5: 3319 − 3325 doi: 10.1021/nn200469d

    14. [14]

      Motaung D E, Malgas G F, Arendse C J, Mavundla S E, Oliphant C J, Knoesen D. Sol Energ Mater Sol C, 2009, 93: 1674 − 1680 doi: 10.1016/j.solmat.2009.05.016

    15. [15]

      Kim J Y, Noh S, Nam Y M, Kim J Y, Jo W H. ACS Appl Mater Interfaces, 2011, 3: 4279 − 4285 doi: 10.1021/am2009458

    16. [16]

      Sirringhaus H, Brown P J, Friend R H, Nielsen M M, Bechgaard K, Langeveld-Voss B M W, Spiering A J H. Nature, 1999, 401: 685 − 688 doi: 10.1038/44359

    17. [17]

      Oh S H, Heo S J, Yang J S, Kim H J. ACS Appl Mater Interfaces, 2013, 5(22): 11530 − 11534 doi: 10.1021/am4046475

    18. [18]

      Rashmi, Kapoor A K, Upendra K, Balakrishnan. Pramana-J Phys, 2007, 68(3): 489 − 498 doi: 10.1007/s12043-007-0052-2

    19. [19]

      Wang D H, Kim J K, Seo J H, Park O O, Park J H. Sol Energ Mater Sol C, 2012, 101: 249 − 255 doi: 10.1016/j.solmat.2012.02.005

    20. [20]

      Oklobia O, Shafai T S. Solid State Electron, 2013, 87: 64 − 68 doi: 10.1016/j.sse.2013.05.005

    21. [21]

      Li G, Shrotriya V, Huang J S, Yao Y, Moriarty T, Emery K, Yang Y. Nat Mater, 2005, 4: 864 − 868 doi: 10.1038/nmat1500

    22. [22]

      Liu B, Wang Y, Chen P, Zhang X H, Sun H L, Tang Y M, Liao Q G. ACS Appl Mater Interfaces, 2019, 11: 33505 − 33514 doi: 10.1021/acsami.9b12583

    23. [23]

      Li L L, Zhang F J, Wang J, An Q S, Sun Q Q, Wang W B, Zhang J. Sci Rep-UK, 2015, 5: 9181 doi: 10.1038/srep09181

    24. [24]

      Zhong Z M, Li K, Zhang J X, Ying L, Xie R H, Yu G, Huang F, Cao Y. ACS Appl Mater Interfaces, 2019, 11: 14208 − 14214 doi: 10.1021/acsami.9b02092

    25. [25]

      Zhong Wenkai(钟文楷), Xie Ruihao(谢锐浩), Ying Lei(应磊), Huang Fei(黄飞), Cao Yong(曹镛). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2018, (2): 217 − 222 doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17242

    26. [26]

      Shrotriya V, Ouyang J Y, Tseng R J, Li G, Yang Y. Chem Phys Lett, 2005, 411(1-3): 138 − 143 doi: 10.1016/j.cplett.2005.06.027

    27. [27]

      Yager K G, Tanchak O M, Barrett C J. Rev Sci Instrum, 2006, 77: 769 − 141

    28. [28]

      Yao Y, Liang Y Y, Shrotriya V, Xiao S Q, Yu L P, Yang Y. Adv Mater, 2007, 19(22): 3979 − 3983 doi: 10.1002/adma.200602670

    29. [29]

      Kim K D, Koo J b, Jong k, Yang Y S. J Korean Phys Soc, 2010, 57(1): 124 − 127 doi: 10.3938/jkps.57.124

    30. [30]

      Ruderer M A, Wang C, Schaible E. Macromolecules, 2013, 46(11): 4491 − 4501 doi: 10.1021/ma4006999

    31. [31]

      Huan B Y, Glynos E, Frieberg B. ACS Appl Mater Interfaces, 2012, 4: 5204 − 5210 doi: 10.1021/am3011252

    32. [32]

      Yan L P, Wang Y L, Wei J F. J Mater Chem A, 2019, 7(12): 7099 − 7108 doi: 10.1039/C8TA12109E

    33. [33]

      An T, Wang Y Q, Xue J W. Opt Quant Electron, 2020, 52(1): 1 − 12 doi: 10.1007/s11082-019-2116-1

    1. [1]

      何亚飞郝立峰陆小龙杨帆矫维成刘文博王荣国 . MoS2纳米片及其增强环氧树脂基复合材料的制备与性能研究. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2015.14194

    2. [2]

      董思远朱平刘继广王笃金董侠 . 透明聚酰胺聚集态结构与拉伸性能的热处理效应. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.18198

    3. [3]

      白兰翟磊何民辉王畅鸥莫松范琳 . 高温热处理对聚酰胺-酰亚胺薄膜超低热膨胀行为的影响. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19099

    4. [4]

      常爱平谢建达吴清实陈守敏杜雪吴伟泰 . 3-(三聚氧乙烯)取代聚噻吩的合成与聚集增强发光. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2016.15342

    5. [5]

      周杏茂贾连达刘丽王国英周恩乐 . 聚全氟乙丙烯的分子聚集态结构及其对开裂性能的影响. 高分子学报,

    6. [6]

      桑泳方明卢红斌 . 石墨烯表面接枝聚(3-己基噻吩)分子刷的制备与表征. 高分子学报, doi: 10.3724/SP.J.1105.2012.11152

    7. [7]

      李月琴王竹叶宋阳张锡予江蕾吴相香华倩 . 聚(3-己基)噻吩/紫精掺杂聚氧乙烯体系的电双稳态存储特性研究. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2015.15115

    8. [8]

      黄玉惠丛广民刘彦宋默 . 聚苯醚羧酸盐的聚集态结构. 高分子学报,

    9. [9]

      黄雪英莫志深高焕王龙泉牟忠诚朱诚身 . 尼龙-1010的聚集态结构. 高分子学报,

    10. [10]

      张亮仁金道森高原淳梶山千里 . 含磺酸盐基两性分子/聚乙烯亚胺LB膜的聚集结构. 高分子学报,

    11. [11]

      郑华靖蒋亚东徐建华杨亚杰 . 修饰Langmuir-Blodget膜法制备聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)薄膜结构和导电性能的研究. 高分子学报, doi: 10.3724/SP.J.1105.2010.09470

    12. [12]

      周峰封伟焉学佳王晓工 . 苝二酰亚胺/聚噻吩复合膜的光电性能研究. 高分子学报,

    13. [13]

      周恩乐徐白玲贾连达 . 顺丁橡胶的聚集态结构及其拉伸行为. 高分子学报,

    14. [14]

      俎喜红张政蒋雪梅王欢罗洪盛王翠易国斌 . 高密度聚苯胺纳米线阵列的制备及在紫外探测器中的应用研究. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2015.14258

    15. [15]

      罗敏周小康张洁马东阁宛新华 . 以蒽醌酰亚胺为电子受体的共轭聚合物的设计与合成及其在光探测器上的应用. 高分子学报, doi: 10.3724/SP.J.1105.2014.13418

    16. [16]

      钟文楷谢锐浩应磊黄飞曹镛 . 基于萘[1, 2-c:5, 6-c]二[1, 2, 5]噻二唑共轭聚合物的高效光探测器. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17242

    17. [17]

      赵亚梅胡小玲管萍薛冠 . 1-正辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体对聚砜分离膜的结构控制及其作用机理. 高分子学报, doi: 10.3724/SP.J.1105.2010.094261

    18. [18]

      胡家璁胡七一谷岩 . FRS-XRSA与SAXS研究硬弹性聚丙烯的结晶度、取向与超结构——Ⅱ.退火温度的影响. 高分子学报,

    19. [19]

      胡家璁黄纬王湘赣 . FRS-XRSA与SAXS研究硬弹性聚丙烯的结晶度、取向与超结构——Ⅰ.退火时间的影响. 高分子学报,

    20. [20]

      孔米秋黄亚江刘文娟李光宪 . SiO2纳米粒子对PMMA/PS共混物共连续相结构退火粗化过程的影响. 高分子学报, doi: 10.3724/SP.J.1105.2010.09340

  • Figure 1.  (a) The photodetector device architecture; (b) Chemical structures of the donor and acceptor materials used in this study

    Figure 2.  The normalized absorption spectra of P3HT and PC61BM blend film (1/1, W/W)

    Figure 3.  (a) Spectral responsivity (−2 V), (b) external quantum efficiency (−0.1 V), (c) dark current density and (d) specific detectivity (−0.1 V) of device based on P3HT:PC61BM active layers with various thicknesses

    Figure 4.  (a) Spectral responsivity (−2 V), (b) external quantum efficiency (−2 V), (c) dark current density and (d) specific detectivity (−0.1 V) of device based on 180 nm P3HT:PC61BM active layers after different annealing temperatures, (e) Liner dynamic range of the device based on 180 nm P3HT:PC61BM active layers after 120 °C annealing

    Figure 5.  AFM height images and phase images of the active layers (3 μm × 3 μm)

    Table 1.  Characteristics of device with various active layer thicknesses

    Active layer thickness
    (nm)
    Rmax (−0.1 V)
    (mA/W)
    EQEmax (−0.1 V)
    (%)
    Jd (−0.1 V)
    (A/cm2)
    Dmax* (−0.1 V)
    (Jones)
    LDR
    (dB)
    200216@545 nm50@530 nm2.34 × 10−62.49 × 1011@545 nm60
    180247@550 nm57@535 nm2.43 × 10−62.80 × 1011@550 nm82
    160224@540 nm52@525 nm2.91 × 10−62.33 × 1011@540 nm86
    120185@540 nm43@525 nm4.96 × 10−61.47 × 1011@540 nm40
    下载: 导出CSV

    Table 2.  Characterisitics of the device after different annealing temperatures

    Temperature
    (°C)
    Rmax (−0.1 V)
    (mA/W)
    EQEmax (−2 V)
    (%)
    Jd (−0.1 V)
    (A/cm2)
    Dmax* (−0.1 V)
    (−0.1 V) (Jones)
    LDR
    (dB)
    150247@550 nm61@535 nm2.43 × 10−62.80 × 1011@545 nm82
    140217@545 nm53@530 nm3.56 × 10−62.03 × 1011@550 nm56
    130204@550 nm57@535 nm1.78 × 10−62.70 × 1011@540 nm79
    120242@540 nm58@520 nm2.21 × 10−62.93 × 1011@540 nm95
    100213@540 nm54@525 nm1.90 × 10−62.73 × 1011@540 nm89
    Control218@545 nm54@530 nm2.48 × 10−62.45 × 1011@540 nm86
    下载: 导出CSV
  • 电子支持信息-gfzxb20190207刘晓喧.pdf

  • 加载中
图(5)表(2)
计量
  • PDF下载量:  30
  • 文章访问数:  272
  • HTML全文浏览量:  175
  • 引证文献数: 0
文章相关
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章
本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司设计开发 技术支持: info@rhhz.net 百度统计