摘要:本文采用P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM为活性层, 制备了覆盖可见光范围的三元体异质结有机光电探测器(organic photodetectors, OPDs). 利用原子力显微镜、 紫外可见吸收光谱和荧光光谱等手段研究了PTB7添加到P3HT∶PC₆₁BM体系中对OPDs光学和电学性质的影响, 发现当P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM的质量比为8∶2∶10时, 三元混合层的响应光谱扩展到780 nm, OPDs的响应度R在630, 530, 460 nm的光照和–1 V偏压下分别达到178, 291, 241 mA/W, 比探测率D*达到10¹² Jones, 并与课题组之前成果P3HT∶PBDT-TT-C∶PC₆₁BM为活性层的三元有机光电探测器做了对比. 分析了两种基于苯并[1,2-b∶4,5-b]二噻吩(BDT)单元的聚合物PTB7与PBDT-TT-C分别添加到同一体系P3HT∶PC₆₁BM中产生的器件性能差距的现象, 解释了PTB7由于氟原子的引入, 对混合薄膜微观形貌的影响和对薄膜中光生载流子迁移率的提升的原因. 这为制备性能更好的有机光电探测器提供了理论依据和方法.
关键词: 有机光电探测器/
三元体异质结/
激子解离/
微观形貌

English Abstract

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由于有机光电探测器(organic photodetectors, OPDs)具有很强的柔韧性、较轻的质量、可调节的响应光谱、大面积的检测能力和较低的生产成本等优点, 因此在光探测方面得到了广泛的应用^[1,2]. 在过去的几年中, 关于OPDs的文献主要集中在调整频谱响应带宽以实现窄带或宽带响应^[3,4]方面. 近年来, 由于从紫外(ultraviolet, UV)到可见(visible, Vis)到红外(infrared, NIR)区域的高灵敏度全色OPDs在工业上的巨大潜力而引起了人们的广泛关注以及科学应用^[5,6].
有机光电探测器的活性层包括给体材料和受体材料, 聚合物是其活性层的主要给体材料之一. 在众多共轭聚合物中, 基于苯并[1, 2-b∶4, 5-b]二噻吩(BDT)单元的聚合物表现出了优异的性能. BDT具有平面对称结构的给体单元, 拥有易合成、易提纯以及在空气环境下具有良好的稳定性等特点, 是构建电子给体-电子受体(donor-acceptor, D-A)共聚物最佳的给体单元之一. 2008年, 侯剑辉等^[7]首次将BDT给体单元用于构建聚合物光伏材料, 这一研究充分展示了基于BDT类的共轭聚合物在有机光伏领域的巨大应用潜力. 2014年, 侯剑辉课题组^[8]在BDT的4-, 8-位连接不同的芳环(噻吩、呋喃和硒酚)合成了聚合物所制备的器件分别获得了9.0%和8.78%的光电转化效率. 2017年, Xu等^[9]在BDT侧链引入烷硫链与受体单元TPD进行聚合, 合成的两种聚合物所制备的太阳能电池期间效率分别达到了7.8%和8.0%. 在随后几年, 以噻吩[3, 4-b]噻吩(TT)为电子受体(A)和BDT为电子给体(D)的交替共聚物(PTB7和PBDT-TT-C为这个系列的聚合物)由于其低带隙特性、相对高的空穴迁移率和良好的光伏性能而引起了人们的广泛关注^[10,11].
本文采用P3HT, PTB7和PC₆₁BM双给体单受体的形式, 制备了宽光谱响应的活性层薄膜, 研究了PTB7掺入P3HT∶PC₆₁BM体系对薄膜光学特性和微观形貌产生的影响, 并与课题组之前成果P3HT, PBDT-TT-C和PC₆₁BM双给体单受体制备的三元OPDS做对比^[12], 探究了两种不同的聚合物(PTB7和PBDT-TT-C)加入同一体系中产生差异化影响的原因, 为实现宽光谱高性能的有机光电器件提供了理论依据和方法.

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2.1.器件制备

实验中采用的材料能级和器件结构如图1所示. OPDs采用多元体异质结及ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM/AI的结构. 采用涂有ITO(氧化铟锡)的玻璃基板做衬底, 其面积为20 mm × 20 mm, 并对玻璃基板上的ITO进行刻蚀处理, 之后用大量纯水冲洗, 然后依次用去离子水、丙酮、无水乙醇分别超声清洗15 min, 再用氮气枪吹干备用. 在刻蚀好的衬底上进行阳极缓冲层PEDOT∶PSS的旋涂, 用匀胶机将溶液旋涂在ITO衬底上, 均胶机参数是3000 r/min (60 s), 之后再进行100 ℃退火处理10 min. 将P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM的质量比定为(10–X) mg∶(X) mg∶10 mg, 混合, 改变P3HT(10–X) mg和PTB7(X) mg, X依次取0, 1, 2, 3. 溶剂选取邻二氯苯(o-DCB), 计量为1 mL. 制备好有机溶液后在室温下将溶液用磁力搅拌机充分搅拌12 h备用. 在旋涂好缓冲层的ITO玻璃上用匀胶机旋涂约200 nm的活性层, 均胶机参数为800 r/min (60 s), 并进行110 ℃退火10 min. 最后, 在10^–4 Pa真空下蒸镀Al电极, 厚度为100 nm. 并进行120 ℃退火10 min. 实验中使用的P3HT, PC₆₁BM和PEDOT∶PSS是从西安宝莱特光电技术有限公司购买的, PTB7是购买自苏州中海光电科技有限公司.
图 1 材料能级示意图结构图和器件结构图　(a)能级图; (b)结构图
Figure1. Schematic diagram of material energy level structure diagram and device structure diagram: (a) Energy level diagram; (b) structure diagram.

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2.2.测量与表征

使用Keithley2636半导体测试系统获得器件的电流-电压(J-V)曲线, 光源采用卓力汉光的TLS3单色光源(红绿蓝三基色的波长分别为630, 530和460 nm, 对应的光功率分别为0.50, 0.55和0.70 mW/cm²). 光致发光(photoluminescence, PL)光谱使用LS-45/55荧光光谱仪测量. 用岛津UV-3600紫外-可见-近红外光谱仪测量吸收光谱. 用VB-400椭偏仪测量薄膜厚度. 采用Nano Scope NS3A系统测得了薄膜形貌的原子力显微镜图(atomic force microscope, AFM). 对于瞬态特性的测试, 器件串联输入阻抗为50 Ω的电阻, 连接在100 MHz的数字示波器(TeKtronixTBS1104)上, 使用20 MHz的任意波形发生器(AFC3252)给LED光源灯供电以产生方波脉冲光信号, 光照下通过示波器直接读出光响应电压V_rp. 所有测试均在室温大气环境下进行.
本文中的比探测率(D*)、响应度(R)、外量子效率(EQE)、线性动态范围(LDR)计算公式为

$D^* = \frac{R}{{\sqrt {2e{J_{{\rm{dark}}}}} }},$

$R = {{{J_{{\rm{ph}}}}}}/{{{P_{{\rm{in}}}}}} = ({{{J_{{\rm{light}}}} - {J_{{\rm{dark}}}}}})/{{{P_{{\rm{in}}}}}}, $

${\rm{EQE}} = {{{J_{{\rm{ph}}}}hv} \mathord{\left/ {\vphantom {{{J_{{\rm{ph}}}}hv} {{P_{{\rm{in}}}}}}} \right. } ({{P_{{\rm{in}}}}}}q) = {{Rhv} \mathord{\left/ {\vphantom {{Rhv} q}} \right. } q} = {{1240R} \mathord{\left/ {\vphantom {{1240R} \lambda }} \right. } \lambda },$

式中${J_{{\rm{ph}}}}$为光生电流, ${P_{{\rm{in}}}}$为入射光光功率, ${J_{{\rm{light}}}}$为光照下产生的光电流, ${J_{{\rm{dark}}}}$为暗电流, $e$为电子电量, $hv$是入射光子的能量, $\lambda $为入射光波长.

${\rm{LDR}} = {\rm{20}}\log \frac{{J_{{\rm{ph}}}^* }}{{{J_{{\rm{dark}}}}}}, $

式中$J_{{\rm{ph}}}^ *$指器件在光功率为1 mW/cm²光照下的光生电流.

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3.1.两种聚合物的对比

对比PBDT-TT-C (550—780 nm)和PTB7(550—800 nm)这两种不同的聚合物红光吸收材料, 从各自的吸收光谱可以看出, 两种材料的吸收光谱范围基本相同. 引入吸电子力强的氟原子聚合物PTB7与PBDT-TT-C相比, HOMO能级和LUMO能级都有所下降, 吸收峰有轻微红移. 材料的结构能级和归一化后的吸收光谱图如图2所示.
图 2 (a) 聚合物分子结构; (b) 聚合物能级图; (c) 聚合物吸收光谱图
Figure2. Molecular structure (a), energy diagram (b), and absorption spectrum (c) of two polymers.

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3.2.活性层的光学特性

由于P3HT (400—650 nm), PC₆₁BM (300—400 nm)和PTB7 (550—800 nm)的吸收光谱是互补的, 所以可以使用体异质结的方式获得覆盖可见光波长的活性层薄膜. P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM不同质量比的三元薄膜的吸收光谱图归一化后如图3(a)所示. 随着红光材料PTB7的加入和质量比的增加, 混合薄膜在400—800 nm波段的吸收增强. 薄膜在690 nm附近的吸收增强是因为添加了红光吸收材料, 而薄膜在600 nm处的吸收增强是由于聚合物PTB7与P3HT侧链之间存在着非共价相互作用^[13], 这促进了P3HT分子的局部聚集, 从而导致吸收增强^[14,15]. 当PTB7质量比继续增大时, 薄膜在550 nm处的P3HT本征吸收峰增强, 表明P3HT的结晶度随聚合物的质量比的增加而增加. 由本研究组之前成果文献[12]可得, 聚合物红光材料PBDT-TT-C添加进P3HT∶PC₆₁BM体系时, 也出现了相同的增强吸收光谱的规律(图3(b)).
图 3 两种聚合物对应的不同质量比的三元活性层薄膜对应的吸收光谱图
Figure3. Absorption spectra of ternary active layer films with different mass ratios.

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3.3.活性层的微观形貌

为了进一步探究添加聚合物红光材料对薄膜微观形貌的影响, 对图3(a)中对不同质量比的活性薄膜进行了AFM表征. 从图4可以观察到, 在P3HT∶PC₆₁BM中添加PTB7的质量比从10∶0变为8∶2的过程中, 薄膜的均方根粗糙度(root mean square surface roughness, Rq)随着聚合物PTB7的加入不断增加, 但仍保持P3HT∶PC₆₁BM的原始微观形态. 这是因为将少量的聚合物添加到 P3HT∶PC₆₁BM中时, 聚合物中BDT单元的平面对称结构有效地促进了P3HT分子间的相互作用, 增强了分子间原始的π-π堆积, 从而促进了活性层的局部结晶, 最终混合膜具有良好的微观结构. 这与文献报道的在P3HT∶PC₆₁BM 二元器件中添加不同的聚合物给体材料, 即给体材料与聚合物主链或侧链之间添加相互作用, 改善了聚合物的局部微观形貌的规律相一致^[16-19].
图 4 不同P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM质量比的三元混合活性层薄膜的2D和3D AFM图像　(a), (A) 质量比为10∶0∶10, Rq = 4.32; (b), (B) 质量比为9∶1∶10, Rq = 5.40; (c), (C) 质量比为8∶2∶10, Rq = 6.95; (d), (D) 质量比为7∶3∶10, Rq = 10.93
Figure4. 2D and 3D AFM images of ternary mixed active layer films with different mass ratios of P3HT∶ PTB7∶ PC₆₁BM∶ (a), (A) 质量比为10∶0∶10, Rq = 4.32; (b), (B) 质量比为9∶1∶10, Rq = 5.40; (c), (C) 质量比为8∶2∶10, Rq = 6.95; (d), (D) 质量比为7∶3∶10, Rq = 10.93.

与文献[12]中掺杂PBDT-TT-C相比, 由于PTB7中的TT单元上引入了氟原子, 而氟原子具有超强的电负性, 所以其具有很好的热稳定性、很强的刚性、疏水性以及化学和抗氧化稳定性, 并且具有自组装性质^[20]. 普通的烷基侧链和氟代侧链都是疏水的, 两种侧链同时引入到聚合物中时, 会排斥对方而分离, 从而影响分子链的堆砌, 最终得到高度有序和结晶的材料^[21]. 且氟代共聚物表现出更为紧密的堆积距离, 其分子间存在着强烈的F···H相互作用. 相应地, 烷基链间的堆积更为疏松. 说明随着聚合物主链上的氟代引入, 面分子间朝上(face-on)的取向堆积得到增强. 因此, 氟代共聚物有利于形成长程微晶^[22].
所以引入氟原子的PTB7加入P3HT∶PC₆₁BM体系中会得到比PBDT-TT-C加入P3HT∶PC₆₁BM体系更好的互穿网络结构.
活性层中的给体和受体的聚集以及给受体形成互穿的网络结构对器件性能有重要影响. 给体与受体的适当聚集可以增强活性层对太阳光的吸收和提高电荷载流子的传输性能, 但是过度的聚集却可能影响给受体之间互穿网络结构的生成以及激子的有效电荷分离.
当P3HT∶PTB7的质量比继续变化为7∶3时, 混合薄膜的Rq急剧增加至10.93 nm. “山状”纳米簇隆起几乎消失, 大量“钟乳石状”隆起出现, 这表明薄膜的微观形态发生了很大变化, 活性层中的光生载流子输运通道减少. 因此, 当P3HT∶PTB7: PC₆₁BM的质量比为8∶2∶10时, 在维持P3HT: PC₆₁BM活性层微观形态的基础上, 混合膜吸收光谱范围扩展到380—780 nm. 这与P3HT∶PBDT-TT-C的质量比继续增加表现出相同的规律^[12].
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3.4.器件的电学特性

为了探究不同质量比的三元混合活性层对OPDs电学性能的的影响, 在红绿蓝三基色(630, 530, 460 nm)照射下对实验中制备的四组OPDs进行了的J-V测试. 图5(a)显示, 在红光光照下, 随PTB7质量比的增加, 光电流先增加后减少. 当P3HT与PTB7的质量比为8∶2时, 红光电流达到最大, 在–1 V偏压下达到2.66 × 10^–4 A/cm². 图5(b), (c)显示三元 OPDs的绿光和蓝光电流表现出与红光光照下的电流基本一致的变化趋势.
图 5 P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM器件在三基色光照下的J-V曲线　(a)红光; (b)绿光; (c)蓝光; (d)暗光
Figure5. The J-V curve of P3HT∶PTB7∶PCBM device under three primary colors: (a) Red light; (b) green light; (c) blue light; (d) dark light.

由本研究组的成果 ^[12]中PBDT-TT-C作为第三组分加入P3HT∶PC₆₁BM制备的三元OPDs的特性得知, 随着PBDT-TT-C质量比的增大, 红光电流先增大后减小, OPDs的蓝绿光电流表现出与红光电流一致的变化趋势. 当P3HT和PBDT-TT-C质量比为8∶2时, 红光光电流最大, –1 V时达到2.11 × 10^–4 A/cm². P3HT∶PBDT-TT-C(7∶3)也表现出一样的趋势, 在–1 V偏压下器件的暗电流达到最小, 为2.19 × 10^–8 A/cm².
如图5(d)所示, 当活性层中P3HT∶PTB7的质量比为7∶3时, OPDs的暗电流最小, 在–1 V偏压下达到2.18 × 10^–8 A/cm².
为了进一步确定第三组分PTB7的添加对活性层中载流子的输运与收集的影响, 制造了单空穴器件来测量有机薄膜的空穴迁移率(μ_h). 器件结构为ITO/PEDOTPSS/活性层/MoO₃/Al, 根据空间电荷限制电流(SCLC)模型^[23], 通过拟合器件暗光条件下的J-V曲线计算出不同质量比的三元活性层薄膜的μ_h. 图6显示了不同质量比器件的ln(Jd³/V²)和(V/d)^0.5之间的关系. 计算出μ_h的最终结果如图7所示, 结果表明当 P3HT∶PTB7的质量比为8∶2时, 活性层薄膜 μ_h最大, 达到了4.07 × 10^–4 cm²·V^–1·s^–1. 这是因为活性层薄膜在保持原始的空穴传输通道的基础上, 活性层结晶度变大导致空穴迁移率增大.
图 6 单空穴器件的ln(Jd³/V²)-(V/d)^0.5曲线
Figure6. ln(Jd³/V²)-(V/d)^0.5 curve of single hole device.

图 7 不同质量比的三元活性层薄膜中的空穴迁移率
Figure7. Hole mobility in ternary active layer films with different mass ratios.

由本研究组之前的成果 ^[12]可知, 当P3HT∶PBDT-TT-C质量比为8∶2时, 空穴迁移率μ_h最大, 数值为9.6 × 10^–8 cm²·V^–1·s^–1. 这要比P3HT∶PTB7质量比为8∶2时的空穴迁移率低得多.
借鉴在聚合物太阳能电池领域对D-A型共轭聚合物结构优化的各种策略, “弱供体”和“强受体”的组合被证明是一种提高光电转换效率的有效方式^[24]. 经氟化之后的聚合物有更强的π-π堆积峰, 这表明聚合物的氟化作用促进了分子间自组装的形成, 且以face-on取向为主. 对于光伏器件来说, face-on取向有利于活性层在垂直方向上更好地进行载流子输运, 所以将具有强吸电子能力的氟原子引入到聚合物受体单元上, 在提高光生电子迁移能力上有重要的作用. 载流子的迁移率很大程度上取决于材料的分子结构和形貌, 这与上面引入氟原子聚合物PTB7会形成更好的互穿网络微观形貌相一致, 进一步验证了空穴迁移率的提升是含有PTB7的探测器光电流提升的重要原因之一.
对于OPDs暗电流减少的探究, 用525 nm的激发光对含有PTB7不同质量比的三元活性层膜进行了PL光谱测试, 如图8所示, 表明活性层薄膜中随着聚合物PTB7质量比的增加, 混合薄膜的PL峰减小. 这与采用添加剂减少原始系统中的缺陷相一致, 从而与导致器件的暗电流减小的结果一致^[25]. 暗电流的降低有利于进一步提高探测器的光电性能. 这也与聚合物的继续增加导致活性层薄膜的结晶度增大, 缺陷态密度不断减少相一致.
图 8 525 nm激发光下不同质量比的三元薄膜的PL光谱
Figure8. PL spectra of ternary thin films with different mass ratios under 525 nm excitation light.

本研究组对不同质量比的三元OPDs进行了EQE光谱分析. EQE表示的是单位能量光照射下被电极收集的载流子数目, 是衡量器件优劣的重要指标, 具体曲线如图9所示. 由图9可以发现, 在–1 V偏压下, 当P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM质量比为8∶2∶10时, 三元OPDs在可见光波长范围内具有较高的探测响应.
图 9 –1 V偏压下, 三元OPD不同质量比的EQE光谱
Figure9. EQE spectra of ternary OPDs at difffferent mass ratios at –1 V bias.

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3.5.探究双给体之间的相互作用

为了探究在P3HT∶PC₆₁BM 体系中添加PTB7对OPDs光电流影响的机理, 需要解P3HT与PTB7之间的相互作用. 因此, 测试了P3HT和PTB7单一材料的吸收光谱以及525 nm激发下的PL光谱(图10). 聚合物PTB7的吸收光谱与P3HT的PL光谱存在一定重叠, 这为两种给体材料之间的能量传递提供了可能^[26]. 另一方面, P3HT和PTB7的LUMO能级差为0.32 eV, 其数值大于激子结合能的临界值0.3 eV^[27], 这表明在双给体界面处可能发生激子解离. 能量传递和电荷转移都能使三元器件的效率提高, 但在提高激子的利用率上却是两个不同的物理过程.
图 10 P3HT和PTB7薄膜的吸收光谱和PL光谱
Figure10. Absorption spectrum and PL spectrum of P3HT and PTB7 films.

如图11所示, 从不同质量比的薄膜在525 nm激发光下的PL光谱可以看出, 随着聚合物PTB7的质量比增加, P3HT的发光强度减少, 聚合物的发光强度不会有明显增强. 这表明, P3HT和PTB7之间的相互作用是电荷转移而非能量传递^[28]. 由图12可以看出, 少量PTB7的添加使得器件的光电流提升, 进一步证明了P3HT和PTB7之间存在着激子解离的作用. 也就是说, 在三元体系中有三种激子产生、转移的界面和路径, 分别是P3HT∶PTB7界面、PTB7∶PC₆₁BM界面和P3HT∶PC₆₁BM界面. 相比于只有一种电荷传输途径的P3HT∶PC₆₁BM体系, 这样的多路径和界面的结构可以抑制辐射载流子的复合和非辐射界面电荷转移. 由此可见, 随着PTB7的加入, 三元体系可以提供三种激子的解离界面和有效的电荷转移路径, 从而使器件的性能得到提升. 这也是图8中PL峰减小有利于提高探测器的光电性能的原因.
图 11 不同质量比的P3HT∶PTB7薄膜的PL光谱
Figure11. PL spectra of P3HT∶PTB7 films with different mass ratios.

图 12 不同质量比的P3HT∶PTB7的OPDs的J-V曲线
Figure12. J-V curves of P3HT∶PTB7 OPDs with different mass ratios.

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3.6.器件的特性参数

线性动态范围LDR定义为探测器线性的响应范围, 即输出电流或者电压信号与输入光信号成线性比例关系. 在LDR内, 输入光信号的波形将完整地转换为输出电信号而不失真. 由图13可知, 在–1 V偏压和各基色光照下, 器件的光电流与光功率保持较好的线性关系. 这表明三元P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM质量比为8∶2∶10的OPDs可在不同可见光下正常工作.
图 13 –1 V偏压下器件P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM (8∶2∶10)的光电流与光功率的关系
Figure13. Photocurrent-light intensity curves at –1 V bias for P3HT∶PTB7∶PC61 BM (8∶2∶10) devices.

为了进一步探索两种聚合物添加进同一体系对OPDs性能产生的影响差异, 本研究组测量了器件的瞬态响应曲线. 图14显示了P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM质量比为8:2:10的OPDs在三基色光脉冲以及－1 V偏压下的红、绿、蓝光下的瞬态响应曲线. 上升时间和下降时间分别为51, 35, 39 μs和130, 142, 139 μs. 这样的响应时间可以完全满足图像传感器的成像需求^[29].
图 14 在三基色的光脉冲以及偏压为–1 V下, P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM的质量比为8∶2∶10探测器的三基色瞬态响应曲线
Figure14. The mass ratio of P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM is 8∶2∶10 in the three optical lights with the bias voltage is –1 V primary color transient response curve.

从本研究组之前成果^[12]中得知, P3HT∶PBDT-TT-C∶PC₆₁BM质量比为8∶2∶10的OPDs在–1 V偏压下的红、绿、蓝光下的瞬态响应曲线, 其上升时间和下降时间分别为76, 50, 48 μs和380, 316, 340 μs.
对比两种器件的光响应时间, 掺杂PTB7的三元OPDs的三基色光响应时间完全优于掺杂PBDT-TT-C的三元OPDs.
光电探测器的响应时间还可以用时间频率带宽来表示. 时间频率带宽是指在该频率下的响应电流比饱和电流小了–3 dB, 即是饱和电流的一半. 时间频率宽度与载流子渡越时间${t_{{\rm{tr}}}}$成反比. 载流子的渡越时间计算公式为

${t_{{\rm{tr}}}} = \frac{{{d^2}}}{{uV}},$

其中$d$指活性层的厚度, $u$指活性层中载流子迁移率, $V$是外加电压.
由上述公式可得, 掺入PTB7的器件电荷迁移率有了较大提升, 这提高了时间频率宽度, 即减少了响应时间, 换句话说, 响应时间变快很大原因是由于PTB7作为第三组分的掺入, 相较于PBDT-TT-C而言, 提升了器件的电荷迁移率, 从而使器件的响应时间有了很大的提升.
考虑到器件的光电性能, 引入氟原子的聚合物PTB7作为给体的三元有机探测器性能更好. 当P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM的质量比为8∶2∶10时, 器件的三种原色的光电响应特性最佳, 器件在–1 V偏压下的具体参数性能如表1所示.

活性层	偏压/V	光波长λ/nm	响应度R/mA·W–1	比探测率D*/Jones	外量子效率EQE/%
P3HT∶PTB7∶PC61BM	–1	630	178	1.75 × 1012	35
		530	291	2.86 × 1012	68
		460	241	2.37 × 1012	65

表1–1 V偏压以及三基色光照下P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM质量比为8∶2∶10的OPDs特性参数
Table1.–1 V bias voltage and OPDs characteristic parameters of P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM with a mass ratio of 8∶2∶10 under the illumination of three primary colors.

值得注意的是, 使用公式(1)计算得到的D*的值远高于实际测量值. 这是由于本研究认为总噪声近似等于由暗电流引起的散粒噪声, 但它的数值仍然可以用来正确地评估OPDs对弱光的探测能力.

本文采用P3HT与PTB7双供体和PC₆₁BM单受体制备体异质结结构的三元OPDs. 当活性层中的P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM的质量比为8∶2∶10时, 可获得380—780 nm的宽光谱响应, 制备了高探测率宽光谱OPDs, 并与本研究组之前成果做光学特性与电学特性的比较发现, 适当的PTB7质量比已并入P3HT∶PC₆₁BM的活性层中, 在确保薄膜的微观形貌的基础上, 提高了活性层对红光的吸收和激子解离的可能性, 最终提高了OPDs的光电流. 同时, PTB7的加入促进了混合膜的结晶, 降低了混合膜中的缺陷密度, 从而降低了器件的暗电流. 所以由P3HT∶PTB7∶PC₆₁BM制备的三元OPDs的光电性能是优于PBDT-TT-C作为第三组分加入P3HT∶PC₆₁BM所制备的三元OPDs的光电性能. 这为实现低偏置电压的宽光谱高灵敏度的有机光电探测器提供了理论基础和制备方法, 极大地促进了OPDs在现实生活中的应用.