有机光电晶体管外量子效率的研究

Organic phototrasistors (OPTs) are expected to excellent photodetectors. Currently, the commonly-used external quantum efficiency (EQE) of OPTs, equals the ratio of the number of the photo-generated electrons or holes contributing to photocurrent to the number of incident photons. The EQE values calculated by this way are often greater than 100%, which can't reflect the real photoelectric conversion capability of OPTs. The reason for this is that there are both photoelectric conversion and non-photoelectric conversion current components in the photocurrent of OPTs, and the non-photoelectric conversion current results from the photocurrent amplification effect in OPTs. Therefore, it is necessary to research and establish the model for OPTs' external quantum efficiency (EQE*) that excludes the photocurrent amplification effect. The established model can provide us a deeper understanding of photoelectric conversion mechanism of OPTs. And with it the photoelectric conversion capability of OPTs can be assessed more accurately. Based on this, the project focuses on the formation process and the influential mechanism of the photoelectric conversion current in OPTs, the EQE* models for single layer and planar heterojunction OPTs will be established. Then, the key parameters in the models will be measured and the EQE* values of the two kinds of OPTs will be calculated. Finally, combining the calculation results with photoelectric conversion process of OPTs, the critical factors influencing EQE* of OPTs will be explored and the ideas and methods to improve the EQE* value will be proposed.

有机光电晶体管（OPT）有望成为性能优异的光探测器。目前通用的OPT外量子效率（EQE），等于贡献于光电流的光生电子（空穴）数与入射光子数之比。这样计算得到的EQE值往往大于100%，无法真实地反映OPT的光电转换能力。原因是OPT的光电流中既包含光电转换电流成分，还包含非光电转换电流成分，而后者源于OPT的光电流放大效应。因此，研究并建立OPT排除光电流放大效应的外量子效率（EQE*）的数学模型是很有必要的。模型的建立能帮助我们加深对OPT光电转换机制的认识，利用此模型可以更准确地评价OPT的光电转换能力。基于此，本项目围绕OPT中光电转换电流的生成过程和影响机制，建立单层和平面异质结OPT的EQE*数学模型。然后测量模型中关键参数的值，计算得到单层和平面异质结OPT的EQE*值。最后，联合计算结果和OPT的光电转换过程，探究影响OPT的EQE*的关键因素，提出提高EQE*的思路与方法。

有机光电晶体管（Organic Phototransistor，OPT）具有柔性、易制备、低成本、宽吸收光谱、高光响应度及高量子效率等优点，有潜力应用于光探测、光存储、光开关等领域，尤其用作光电探测器。OPT的光电转换效率可由外量子效率表征。外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）定义为“输出的电子数/输入的光子数”，输出的电子数指贡献于光电流的电子数，输入的光子数即入射光子数。实验表明，由此计算得到的OPT的EQE值往往远大于100%，超过了正常情况下光电转换的极限效率。原因是，OPT光电流中同时存在光电转换电流和非光电转换电流（后者远大于前者），于是光电转换电流被非光电转换电流放大（称之为光电流放大效应），因此，由上计算所得的外量子效率既包含光电转换过程，又包含非光电转换过程，故而使EQE大于100%。其中，OPT光电转换电流对应于OPT光电转换过程，包括光子吸收、激子产生、扩散与离解、光生载流子复合与收集；OPT非光电转换电流对应于OPT非光电转换过程，包括光致注入势垒降低、光致陷阱辅助隧穿、激子碰撞电离、单线态激子分裂等。大于100%的EQE值并不能真实地反映OPT的光电转换能力和效率。鉴于此，很有必要研究OPT排除光电流放大效应的外量子效率，也即只与OPT光电转换过程相关联的外量子效率。. 项目以OPT的光电流为契入点，分析了OPT光电流成分，包含光电转换电流和非光电转换电流。根据OPT光电转换电流的形成过程（即光电转换过程），建立了OPT排除光电流放大效应的外量子效率（EQE*）模型，确定了模型中关键参数的取值，计算了单层活性层OPT的EQE*值（1%-85%）和平面异质结OPT的EQE*值（0.45%-4.75%），并深入探究了影响EQE*的关键因素。研究表明，较大的激子扩散长度和较小的陷阱密度对OPT的光电转换是有利的，能使其获得较高的EQE*值，而较深的陷阱能级（指陷阱能级愈靠近本征费米能级）则对其不利。. 研究提出的OPT排除光电流放大效应的外量子效率模型，将为光电子器件光电转换机理及外量子效率的研究提供新的思路。