基于瞬态激光响应的有机光电探测器陷阱态动力学参数提取方法及其机理研究

针对有机光电探测器(OPD)中陷阱态影响器件响应速度的关键问题，研究人员通过建立电荷模型关联微观陷阱弛豫与宏观瞬态特性，开发出动态参数提取方法。实验测得P3HT:PCBM异质结器件的电子捕获系数rn为9.77×10?13 cm3/s，捕获截面σ达9.77×10?20 cm2，为优化OPD性能提供量化依据。

　　

有机半导体材料因其可调谐的光电特性、柔性兼容性和低成本加工优势，在新型光电器件领域展现出巨大潜力。然而，有机光电探测器(OPD)的响应速度长期停滞在微秒(μs)量级，远低于无机器件的纳秒(ns)级性能，这一瓶颈主要源于有机材料能带中广泛分布的陷阱态(trap states)。这些陷阱态作为载流子陷阱或复合中心，严重制约激子解离和电荷输运过程。尤其对于经典的P3HT:PCBM体异质结体系，其浅能级与深能级陷阱态的复杂分布，使得传统表征方法难以直接关联宏观器件性能与微观动力学过程。

针对这一挑战，国内研究团队在《Organic Electronics》发表研究，创新性地建立了基于电荷模型的瞬态激光响应分析方法。通过搭建包含光学暗室、电流放大器、示波器和脉冲激光的测试系统，研究团队对P3HT:PCBM异质结OPD器件进行瞬态响应测试。结合肖克利-里德-霍尔(SRH)理论构建的物理模型，首次实现了从宏观瞬态电流到微观陷阱弛豫过程的定量关联。关键技术包括：1) 瞬态激光激发系统构建；2) 基于能带理论的电荷动力学建模；3) 时域弛豫参数提取算法；4) 浅/深能级陷阱态分布的表征技术。

模型推导
研究提出的能量带图显示，瞬态激光激发会打破陷阱态中电子捕获与发射的平衡态。通过定义浅陷阱能级(E_sh)和深陷阱能级(E_deep)的分布特征，建立了电荷弛豫方程dQ_t/dt = -Q_t/τ + Q₁，其中τ为弛豫时间常数，Q₁为电荷发射系数比。

参数提取
实验测得电子捕获系数r_n为9.77×10^?13 cm³/s，捕获截面σ达9.77×10^?20 cm²。这些参数首次定量揭示了P3HT:PCBM体系中陷阱态对载流子的捕获效率，为器件优化提供明确方向。

结论与意义
该研究通过物理建模实现了OPD陷阱态动力学参数的直接提取，突破了传统方法依赖复杂数值模拟的局限。所得参数不仅解释了有机器件响应延迟的物理本质，更为材料界面工程和能带设计提供了理论依据。研究获得科技部、国家自然科学基金及广东省重点研发计划支持，相关成果对推动柔性光电子器件发展具有重要价值。