单载流子传输型倍增有机光电探测器(PM-OPDs)的量子隧穿注入机制研究及其高性能器件开发

为解决有机光电探测器(PM-OPDs)增益机制不明、暗电流高及环境稳定性差等问题，研究人员通过构建P3HT:PC61BM等三种活性层体系，结合光谱测试与载流子分布模拟，揭示了界面陷阱诱导的空穴量子隧穿注入机制，为开发高性能柔性光电器件提供理论支撑。

　　

在柔性电子和生物医学检测领域，倍增型有机光电探测器(PM-OPDs)因其可弯曲、低成本和高增益特性备受关注。然而这类器件面临"三重困境"：环境稳定性差导致性能衰减、暗电流过高影响信噪比、响应速度不足制约高速应用。更关键的是，其核心的载流子倍增机制尚不明确，犹如"黑箱"阻碍着性能优化。传统解释模型难以阐明单载流子传输体系中的异常增益现象，特别是电子在活性层与电极界面的行为机制。

中国的研究团队选择三种经典共混体系——P3HT:PC₆₁BM(100:1)、PBDB-T:ITIC(100:1)和PTB7:PC₇₁BM(100:1)，通过溶液旋涂法制备ITO/PEDOT:PSS/活性层/Al结构的器件。研究采用"三位一体"的分析策略：测量活性层吸收光谱以明确光捕获能力，测试外量子效率(EQE)表征器件响应性能，结合转移矩阵法和Lambert-Beer定律模拟器件内部光强分布与光生载流子空间分布。这种多尺度研究方法首次将材料光学特性、器件性能参数与微观物理过程相关联。

实验验证与理论模拟的协同分析
通过对比三种体系在216-288nm器件高度范围内的数据，发现EQE峰值与铝电极附近光生电子浓度分布呈显著相关性。特别是在P3HT:PC₆₁BM体系中，当入射光波长为480nm时，距电极20nm区域出现电子密度"尖峰"，对应EQE突增现象。这种空间定位特征暗示界面效应主导增益过程。

量子隧穿注入机制的提出
研究突破性地指出：铝电极界面陷阱捕获的电子形成局部强电场，诱导价带空穴通过量子隧穿效应注入外电路。该过程包含三个关键步骤：①光生电子被界面深能级陷阱捕获；②空间电荷区电场强度超过10⁵V/cm；③价带空穴穿过三角势垒进入电极。这种解释完美衔接了"单载流子传输"与"高增益"的矛盾现象。

材料体系的普适性验证
在PBDB-T:ITIC体系观察到更显著的隧穿效应，归因于ITIC受体形成的阶梯能级结构；而PTB7:PC₇₁BM体系因PC₇₁BM的均匀分散特性，表现出更宽的响应谱。三种体系验证了机制解释的普适性，为材料选择提供新标准——需要平衡陷阱密度（影响增益）与载流子迁移率（决定响应速度）。

该研究发表于《Organic Electronics》，其重要意义在于：首次建立单载流子传输PM-OPDs的完整物理图像，指明界面工程是性能优化的关键路径。提出的量子隧穿模型不仅适用于解释有机体系，对钙钛矿/有机杂化器件也有借鉴价值。资助信息显示，该工作获得国家自然科学基金（61905102等）及甘肃省多个科技项目的支持，体现从基础研究到应用开发的全链条布局。未来通过精确调控界面陷阱密度与空间分布，有望同步实现高增益、低噪声和快速响应的"性能三角"。