Органические фоточувствительные структуры видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра с объемным гетеропереходом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Павлова Марина Дмитриевна

• Павлова Марина Дмитриевна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Павлова Марина Дмитриевна

Введение

Глава 1. Органические фоточувствительные структуры

1.1 Строение и принцип работы

1.2 Материалы для создания активного слоя

1.3 Многокомпонентные органические фоточувствительные структуры с объемным гетеропереходом

1.4 Исследование характеристик органических фоточувствительных структур

1.4.1 Измерение спектров поглощения и фотолюминесценции

1.4.2 Измерение спектров фоточувствительности

1.4.3 Измерение вольт-амперных характеристик

1.5 Выводы по главе

Глава 2. Фоточувствительные структуры на основе РСЭТЬТ, РС61ВМ и СиРс

2.1 Структуры с объемным гетеропереходом на основе PCDTBT: PC61BM

2.2 Структуры с объемным гетеропереходом на основе PCDTBT: CuPc: PC61BM

2.3 Исследование деградации

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Структуры на основе P3HT, PC71BM и ПГС-Р

3.1 Структура с объемным гетеропереходом на основе P3HT:PC71BM

3.2 Структура с объемным гетеропереходом на основе P3HT:ITIC-F64

3.3 Структура с объемным гетеропереходом на основе P3HT:PC71BM:ITIC-F

3.4 Структура с распределенным гетеропереходом

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Фоточувствительные структуры на основе PBDTT-DPP, PC71BM и ПГС-Р

4.1 Структура с объемным гетеропереходом на основе PBDTT-DPP:PC71BM

4.2 Структура с объемным гетеропереходом на основе PBDTT-DPP:ITIC-F

4.3 Структура с объемным гетеропереходом на основе PBDTT-DPP:PC71BM:ITIC-F

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Органические фоточувствительные структуры видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра с объемным гетеропереходом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: Фоточувствительные структуры, работающие в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах спектра, находят применение в различных областях оптоэлектроники, включая системы визуализации, машинного зрения, спектроскопию, средства медицинской диагностики, а также дистанционное зондирование и экологический мониторинг окружающей среды и т.д. [1]. В настоящее время доминирующую роль в этих сегментах играют неорганические фотодетекторы, производство которых требует сложных, энергозатратных процессов, таких как эпитаксиальный рост в высоком вакууме и высокотемпературная обработка, а также использования специализированного дорогостоящего оборудования, что приводит к повышению себестоимости готовых устройств [2, 3].

Замена материала активного слоя на органические полупроводники позволяет устранить эти недостатки. Производство органических соединений зачастую оказывается значительно дешевле, чем выращивание монокристаллов неорганических полупроводников, а многие из этих материалов отличаются меньшей токсичностью и лучшей перерабатываемостью. Другим преимуществом органических фоточувствительных структур (ОФС) является возможность использования простых и дешевых технологий осаждения, включая методы центрифугирования и струйной печати. Благодаря малому весу и высокой механической прочности органических соединений фоточувствительные структуры могут быть осаждены на гибких подложках, что позволяет разрабатывать устройства «носимой» электроники [4, 5]. Кроме того, важным достоинством органических полупроводников является возможность тонкой настройки оптических и электронных свойств материалов путем модификации молекулярной структуры, что обеспечивает контроль положения энергетических уровней и ширины запрещенной зоны, спектров поглощения и фоточувствительности, а также подвижности носителей заряда [6].

Область применения органических фоточувствительных структур очень разнообразна и продолжает расширяться. ОФС находят применение в фотовольтаике, где позволяют создавать лёгкие и гибкие фотоэлектрические преобразователи, которые можно интегрировать в фасады зданий [7]. В биомедицинском мониторинге органические фоточувствительные структуры, встроенные в одежду или накожные пластыри, способны непрерывно отслеживать жизненно важные показатели пациентов, такие как уровень кислорода в крови и сердечный ритм [8]. В области оптоэлектроники органические полупроводники используются для создания фотодетекторов нового поколения, способных работать в широком спектральном диапазоне, включая ближний инфракрасный, что позволяет совершенствовать системы оптической связи, а также развивать исследования в области фотонных интегральных схем (ФИС), открывая новые возможности для создания компактных, энергоэффективных и многофункциональных устройств [9].

Несмотря на все преимущества, органические фоточувствительные структуры имеют ряд недостатков, накладывающих ограничения на их потенциальное повсеместное применение. Одной из основных проблем ОФС является ограниченная фотохимическая стабильность многих органических соединений, которые подвержены деградации под воздействием атмосферного кислорода и влаги, а также ультрафиолетового излучения [10, 11]. Другим существенным ограничением является низкая подвижность носителей заряда, что накладывает ограничения на толщину активного слоя и снижает эффективность ОФС [12].

Актуальность исследований в области органических фоточувствительных структур определена их потенциальным применением в энергоэффективных, экологически безопасных и экономически выгодных оптоэлектронных устройствах нового поколения. Дальнейшее совершенствование характеристик ОФС, повышение стабильности и увеличение спектральной фоточувствительности в видимом и ближнем

инфракрасном диапазонах спектра, позволят им составить конкуренцию устройствам на основе традиционных полупроводниковых технологий.

Степень разработанности темы исследования

Первые органические фоточувствительные структуры были разработаны в 1970-х годах на основе низкомолекулярных соединений -порфиринов. В 1975 году Ч.У. Тан и А.К. Альбрехт изготовили фоточувствительные структуры на основе хлорофилла-А (СЫ-а) из зеленого шпината, однако данные структуры обладали низкой эффективностью (~ 0,01%). В 1978-1979 годах Л.Р. Фолкнер, Ф. Фан, Д. Чемберлен и П. Куни продемонстрировали фотогенерацию в структурах на основе фталоцианинов ^пРс, CuPc) [13]. В 1986 году Ч.У. Тан разработал двухслойное устройство на основе фталоцианина меди, показав, что генерация носителей заряда сосредоточена вблизи границы раздела фаз и зависит от разницы работ выхода активных слоёв, а не потенциалов электродов [14]. На основе этих принципов в 1994 г. А. Хигер и его коллеги создали фотодиоды на основе поли-[2-метокси-5-(2-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилена] (МЕН-РРУ) с электродами на основе оксида олова, легированный индием и кальция, достигнув фоточувствительности 0,5 мА/Вт. В 1995 году Л.Дж. Ротберг выявил, что ограничением эффективности фотодиодов является недостаточная диссоциация экситонов на границе полимер/электрод. Тогда же Р. Френд и Э. Холмс создали двухслойный фотоэлемент МЕН-РРУ/фуллерен (С60) с коэффициентом полезного действия ~1,5%. В 1996 году они разработали структуры на основе смеси МЕН-РРУ и поли(2,5-ди(гексилокси)цианотерефталилен) (СК-РРУ), обеспечив пространственное распределение границ раздела фаз, необходимое для эффективной фотогенерации, что дало толчок для активного развития исследований в области органических фоточувствительных структур, а также создания гибридных структур, сочетающих органические и неорганические материалы (квантовые точки, нанотрубки и т.д.) [15 -19].

Несмотря на значительный прогресс в повышении эффективности органических фоточувствительных структур видимого диапазона спектра, разработке устройств с расширенным рабочим диапазоном уделено меньше внимания. Остаются нерешёнными проблемы разработки устройств с высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне без существенного увеличения темновых токов, а также возможность формирования функциональных слоев без использования инертной атмосферы, что важно для снижения стоимости производства.

Цели и задачи исследования

Цель работы - разработка органических фоточувствительных структур со спектром чувствительности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

Задачи диссертационного исследования:

- исследование влияния технологических параметров осаждения тонких пленок на основе органических материалов на их равномерность;

- исследование влияния состава активного слоя фоточувствительной структуры на спектральные и электрические характеристики;

- исследование методов расширения спектрального диапазона фоточувствительности.

Объект исследования - органические фоточувствительные структуры с объемным гетеропереходом.

Предмет исследования - методы повышения спектрального отклика в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра органических фоточувствительных структур.

Научная новизна

Научная новизна заключается в разработке технологических процессов создания ОФС для повышения фоточувствительности и расширения рабочего спектрального диапазона в видимой и инфракрасной области спектра.

1. Показано, что использование фталоцианина меди в качестве дополнительного донора в активном слое на основе PCDTBT:PC61BM, позволяет реализовать энергетически оптимизированное разделение переноса носителей заряда, что обеспечивает снижение рекомбинационных потерь, повышение эффективности переноса носителей заряда и увеличение фоточувствительности.

2. Показано, что использование фоточувствительной структуры с двойным распределённым гетеропереходом на основе Р3НТ:ГТГС-Р/Р3НТ:РС71ВМ обеспечивает комплексное улучшение процессов фотогенерации, диссоциации экситонов и переноса носителей заряда за счёт пространственного разделения каналов переноса носителей заряда между ГТГС^ и РС71ВМ, что способствует увеличению фоточувствительности.

3. Показано, что введение РС71ВМ в качестве дополнительного акцептора в активный слой на основе PBDTT-DPP:ГTГC-F позволяет реализовать энергетически согласованные процессы переноса носителей заряда, компенсируя снижение фоточувствительности в диапазоне длин волн 760 - 810 нм и обеспечивая увеличение фотоответа в спектральном диапазоне 500 - 900 нм, что достигается за счёт образования барьеров для дырок и облегчения транспорта электронов в РС71ВМ.

Содержание диссертационного исследования соответствует паспорту научной специальности 2.2.7 - Фотоника (отрасль науки - технические) по п. 2 «Квантовые инфокоммуникационные технологии, в том числе квантовая информатика и квантовая криптография, оптические системы памяти, записи и хранения информации, а также технологии, основанные на современной полупроводниковой и органической фотонике и оптоэлектронике».

Теоретическая и практическая значимость исследования

Были разработаны технологические процессы формирования органических фоточувствительных структур. Разработанные методы и

процессы могут быть использованы для создания ОФС с высокой фоточувствительностью и расширенным рабочим спектральным диапазоном.

1. Созданы ОФС с объемным гетеропереходом на основе PCDTBT:PC61BM с добавлением CuPc в качестве дополнительного донора, демонстрирующие увеличение фоточувствительности в более чем в 2,5 раза и уменьшение плотности темнового тока в 10 раз по сравнению со структурами без CuPc.

2. Созданы фоточувствительные структуры с распределенным гетеропереходом на основе P3HT:ITIC-F/P3HT:PC71BM, демонстрирующие увеличение фоточувствительности более чем в 4 раза по сравнению со структурами на основе P3HT:ITIC-F и P3HT:PC71BM.

3. Созданы фоточувствительные структуры с объемным гетеропереходом на основе PBDTT-DPP:PC71BM:ITIC-F, демонстрирующие увеличение фоточувствительности на 30% при длине волны падающего излучения 820 нм.

Методы исследования

Осаждение тонких пленок на основе органических полупроводников и активных слоев фоточувствительных структур осуществлялось методом центрифугирования. Анализ изготовленных органических

фоточувствительных структур проводился при комнатных условиях в воздушной среде без инкапсуляции структур. Спектральные зависимости поглощения и фотолюминесценции исследовались с помощью спектрометров быстрого сканирования - Ocean Optics USB4000 и Aurora 4000-350-1100nm 1.09-25^m. Спектральные зависимости фоточувствительности были измерены на лабораторном стенде, включающим в себя источник излучения, систему линз для фокусировки излучения, оптомеханический модулятор, дифракционный решеточный монохроматор Solar M266, опотоволокно, столик-держатель для исследуемых образцов с зондами и систему синхронного детектирования Stanford Research Systems SR830 Lock-In

Amplifier. Измерение вольт-амперных характеристик исследуемых органических фоточувствительных структур осуществлялось с помощью лабораторного стенда на основе источника-измерителя Keithley 2401 и лампы накаливания. Толщины образцов были измерены при помощи растрового электронного микроскопа Zeiss Supra 25. Полученные экспериментальные данные обрабатывались и анализировались с использованием программных пакетов OriginPro и Mathcad.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Введение фталоцианина меди (CuPc) в активный слой фоточувствительной структуры на основе PCDTBT:PC61BM способствует увеличению фотоответа в максимуме спектральной зависимости более чем в 2,5 раза и уменьшению плотности темнового тока в 10 раз, за счет оптимального расположения энергетических уровней CuPc относительно PCDTBT и PC61BM. CuPc способствует облегчению транспорта дырок, генерируемых в PCDTBT, к аноду, при одновременном создании энергетического барьера для электронов.

2. Использование двойного распределенного гетероперехода в фоточувствительной структуре на основе P3HT:ITIC-F/P3HT:PC71BM, позволяет реализовать пространственное разделение каналов переноса носителей заряда между ITIC-F и PC71BM, что обеспечивает увеличение фоточувствительности более чем в 4 раза по сравнению со структурами на основе P3HT:ITIC-F и P3HT:PC71BM, за счет эффективных диссоциации экситонов и переноса носителей заряда в активном слое.

3. Введение дополнительного акцептора PC71BM в активный слой на основе PBDTT-DPP:ITIC-F способствует увеличению фоточувствительности структур типа FTO/PBDTT-DPP:PC71BM:ITIC-F/InGaSn в диапазоне длин волн от 500 до 900 нм за счет оптимизации расположения энергетических уровней. PC71BM обеспечивает эффективный транспорт электронов, генерируемых в PBDTT-DPP, к катоду, одновременно являясь барьером для

дырок, что приводит к повышению эффективности фотогенерации и увеличению фоточувствительности.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается использованием

сертифицированного оборудования и поверенных средств измерений, а также согласованностью экспериментальных данных с результатами, опубликованными отечественными и зарубежными исследователями. Результаты работы были представлены на всероссийских и международных конференциях и семинарах, опубликованы в зарубежных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus и в рецензируемых отечественных журналах, рекомендованных ВАК.

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

IX, X Всероссийские школы-семинары студентов, аспирантов и молодых учёных «Диагностика наноматериалов и наноструктур», Рязань, 18-22 сентября 2017 и 1-6 октября 2018 г.; VIII, XV Международные конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, 23-25 января 2019 г., 28-30 января 2026 г.; 74-я научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвящённая Дню радио, Санкт-Петербург, 22-26 апреля 2019 г.; XV Международная научная конференция «Прикладная оптика - 2022», Санкт-Петербург, 15-16 декабря 2022 г.; XXI Молодёжная научная конференция, посвящённая 75-летию Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН (секция «Органо-неорганические и полимерные материалы»), Санкт-Петербург, 5-7 декабря 2023 г.; Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), Санкт-Петербург, 23-27 января 2023 г., 28-30 января 2025 г. и 3-5 февраля 2026 г.;

X, XI, XII и XIII Научно-практические конференции с международным участием «Наука настоящего и будущего» для студентов, аспирантов и

молодых учёных (секция «Электроника, нанотехнологии, наноматериалы»), Санкт-Петербург, 19-21 мая 2022 г., 18-20 мая 2023 г., 16-18 мая 2024 г. и 1517 мая 2025 г.

Реализация и внедрение результатов исследования

Результаты исследования используются в учебном процессе при обучении магистров по программе «Квантовая и оптическая электроника» направления 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по дисциплине «Технология фотоэлектронных приборов» и научно -исследовательской деятельности бакалавров, магистров и аспирантов Лаборатории органических фоточувствительных структур (ЛОФС) на кафедре Фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Разработанные научно-технические подходы к формированию активных слоев органических фоточувствительных структур, обеспечивающие повышение чувствительности, снижение темновых токов и оптимизацию транспорта носителей заряда, используются в деятельности АО «НПП «ЭЛАР».

Публикации

Результаты исследований опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 5 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований, 4 труда в изданиях, индексируемых в базах Web of Science и Scopus, в том числе публикации в журналах c квартилем Q2 и Q3, 13 тезисов конференций, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. В каждой работе личный вклад автора составляет не менее 60 %.

В рамках исследования созданы результаты интеллектуальной деятельности (РИД): «Программа для измерения спектральных характеристик структур, содержащих нанообъекты» свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018661063. Дата регистрации 19 сентября 2018 г.; «Программа управления нагревателем с регистрацией температуры и тока нагревателя в реальном времени» свидетельство о

государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018666928. Дата регистрации 24 декабря 2018 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований отечественных и зарубежных источников информации. Общий объем работы составляет 116 страниц. Работа содержит 88 рисунков.

ГЛАВА 1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ

СТРУКТУРЫ

1.1 Строение и принцип работы

Классическая структура ОФС включает в себя подложку, анод, активный слой и катод. Для улучшения сбора носителей заряда, пассивации поверхности подложки и улучшения адгезии последующих слоев могут быть использованы дополнительные транспортные слои - слой переноса электронов (ETL, electron transport layer) и слой переноса дырок (HTL, hole transport layer). За счет особенностей расположения энергетических уровней транспортные слои органической фоточувствительной структуры обеспечивают селективный перенос зарядов: один слой эффективно проводит электроны, но блокирует дырки, а другой, напротив, переносит дырки, создавая барьер для электронов [20]. Последовательность слоев показана на рисунке 1.1.

| Катод Слой переноса электронов

А Активный слой

т Слой переноса дырок Анод

Подложка

Рисунок 1.1 - Слои фоточувствительной структуры

Важное технологическое преимущество фоточувствительных структур (ФС) на основе органических материалов - совместимость с различными типами подложек, включая не только жесткие, но и гибкие, что открывает путь к созданию устройств новой формы. К жестким относят традиционные подложки из стекла, моно- или поликристаллического кремния, а также

других полупроводниковых пластин. Гибкие подложки изготавливают на основе полимерных плёнок, обладающих высокой механической гибкостью и, как правило, оптической прозрачностью в рабочем спектральном диапазоне. Наиболее распространёнными полимерными материалами являются полифенилсульфид (PSS), полиимид (PI), полиэфиримид (PEI), полиэтилентерефталат (PET) и другие [21].

В качестве анода чаще всего используются прозрачные проводящие слои на основе оксидов олова, легированного индием (ITO) или легированного фтором (FTO), с высокой работой выхода. В качестве материалов катода, для согласования зонной диаграммы, требуется использовать материалы с относительно небольшой величиной работы выхода, например: алюминий (Al) или золото (Au).

Центральным элементом органической фоточувствительной структуры служит активный слой, в котором происходит фотоэлектрическое преобразование. Данный многоступенчатый процесс генерации свободных носителей заряда включает в себя следующие этапы:

1) поглощение фотонов донорным полимером и генерация экситонов;

2) диффузия экситона к границе раздела фаз донор/акцептор;

3) диссоциация экситона на свободные носители зарядов;

4) транспорт носителей зарядов под действием встроенного поля к электродам [22].

Общая схема описанного механизма фотопреобразования приведена на рисунке 1.2.

Акцептор

Рисунок 1.2 - Процесс преобразования света в электрический ток ОФС

Критерием выбора материалов для электродов, оптимизирующих фотогенерацию, транспорт и конечный сбор носителей заряда, выступает соответствие их энергетических уровней материалов контактов и составляющих активного слоя. Для обеспечения эффективной экстракции электронов работа выхода катода (его энергия Ферми) должна находиться ниже уровня LUMO (lowest unoccupied molecular orbital, нижняя свободная молекулярная орбиталь) акцептора. Аналогично, уровень HOMO (highest occupied molecular orbital, верхняя занятая молекулярная орбиталь) донорного полимера должен находиться глубже, чем положение уровня Ферми анода. Соблюдение этих неравенств приводит к требуемым сочетаниям оптических и электрических свойств, что в итоге приводит к улучшению ключевых параметров органической фоточувствительной структуры [23]. На рисунке 1.3 представлены положения энергетических уровней материалов наиболее часто используемых при создании органических фоточувствительных структур.

Рисунок 1.3 - Уровни энергии HOMO и LUMO (эВ) наиболее часто используемых органических материалов и работа выхода материалов

контактов [23]

В органических полупроводниках, в отличие от неорганических, фотогенерированные экситоны обладают высокой энергией связи (порядка 0,3 эВ) и не диссоциируют спонтанно [24, 25]. Для их разделения на свободные носители заряда требуется дополнительная энергия, источником которой служит перепад энергий на границе раздела материалов. Так, переход электрона с уровней LUMO донора на LUMO акцептора может обеспечить необходимую для диссоциации экситона энергию. Поэтому при выборе компонентов, входящих в состав активного слоя ОФС, важно учитывать взаимное расположение энергетических уровней HOMO и LUMO донорного и акцепторного материалов. Корректное согласование энергетических уровней обеспечивает сильное поглощение излучения, эффективную диссоциацию экситонов на донорно-акцепторном интерфейсе, а также последующий транспорт свободных носителей заряда к электродам с минимальными рекомбинационными потерями [26].

Помимо энергетических параметров, ключевым аспектом, влияющим на эффективную работу ОФС, является оптимизация толщины активного слоя, на

которую накладываются два конкурирующих физических ограничения. Для обеспечения достаточного поглощения падающего излучения активный слой должен иметь определённую минимальную толщину (порядка 100 нм), чтобы обеспечить необходимый оптический путь для фотонов. С другой стороны, процесс фотогенерации ограничен малой диффузионной длиной экситонов в органических полупроводниках, которая варьируется от 5 до 20 нм. Поэтому, чтобы экситон успел достичь донорно-акцепторного интерфейса и диссоциировать до рекомбинации, активный слой должен быть как можно тоньше. Следовательно, для эффективной работы устройств на основе органических материалов необходимо подобрать оптимальные параметры донорно-акцепторной системы [27, 28].

Для удовлетворения описанных выше условий используются 2 типа конфигурации активного слоя: планарная и объемная, представленные на рисунке 1.4.

Подножка , Подложка

Рисунок 1.4 - Упрощённая структура органической фоточувствительной структуры с планарным (слева) и объемным (справа) гетеропереходом

Планарный гетеропереход формируется путем последовательного осаждения слоев донора и акцептора. Критическим параметром такой структуры является её толщина, которая должна быть сопоставима с диффузионной длиной экситонов (10 - 20 нм). Это необходимо для того, чтобы фотосгенерированный экситон успел достичь границы доноро-акцепторного интерфейса и диссоциировать до рекомбинации. Таким образом, эффективная генерация свободных носителей происходит лишь в

приграничных областях слоёв суммарной толщиной около 20 - 40 нм, которые образуют фотоактивную зону. Остальная часть активного слоя выполняет в основном оптическую функцию, обеспечивая достаточное поглощение падающего излучения, но не участвуя непосредственно в фотогенерации. Для повышения эффективности планарных ОФС увеличивают площадь гетероперехода при сохранении общей толщины, достаточной для поглощения света. Это позволяет максимально использовать объём материала для сбора фотонов, одновременно обеспечивая высокую вероятность диссоциации экситонов. Поэтому процесс изготовления органических фоточувствительных структур с планарным гетеропереходом требует точного контроля толщины активного слоя.

Технология создания объемного гетероперехода существенно проще, чем планарного. Она заключается в совместном растворении материалов донора и акцептора с последующим осаждением полученного раствора на подложку и его сушкой. В результате формируется активный слой в виде взаимопроникающей сети, где фазы донора и акцептора разделены, но равномерно распределены по всему объёму. Ключевое преимущество такой морфологии - образование множественных гетерограниц по всему активному слою ОФС, что приводит к увеличению площади донорно-акцепторного интерфейса. Сокращение размеров доменов приводит к уменьшению пути диффузии экситонов к границе раздела фаз, что значительно повышает вероятность их диссоциации. Параллельно в объеме слоя формируются непрерывные проводящие пути для эффективного транспорта разделённых носителей заряда: электронов - в направлении катода, а дырок - к аноду. Такая архитектура активного слоя обеспечивает пространственное разделение зарядов, что снижает вероятность их встречной рекомбинации и минимизирует соответствующие потери. Перенос свободных носителей заряда в такой системе осуществляется преимущественно за счёт прыжкового и дрейфово-диффузионного механизмов по квазинепрерывным путям

перколяции, образованным соответствующими фазами внутри активного слоя [2, 29 - 31].

1.2 Материалы для создания активного слоя

Кроме конфигурации активного слоя, решающим фактором, определяющим рабочий спектральный диапазон ОФС, ее чувствительность, выходной сигнал и уровень шумов, является состав активного слоя. Так же как для классических неорганических фотодетекторов, для создания органических фоточувствительных структур необходимы материалы электронной и дырочной электропроводности - донор и акцептор.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлова Марина Дмитриевна, 2026 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ma T. et al. Recent progress in photodetectors: From materials to structures and applications // Micromachines, 2024. Vol. 15, №. 10. P. 1249.

2. Shan T. et al. Organic photodiodes: device engineering and applications // Frontiers of Optoelectronics, 2022. Vol. 15. P. 49.

3. Нанотехнология. Физика, процессы, диагностика, приборы / Под. ред. В.В. Лучинина и Ю.М. Таирова. М.: Физматлит, 2006. 552 с.

4. Ren H. et al. Recent progress in organic photodetectors and their applications // Advanced Science, 2021. Vol. 8, № 1. P. 2002418.

5. Алешин А.Н. и др. Светоизлучающие полевые транзисторы на основе композитных пленок полифлуорена и нанокристаллов CsPbBr3 // Физика твердого тела, 2019. Т. 61, № 2. С. 388-394.

6. Handbook of advanced electronic and photonic materials and devices, Chapter 1 - Synthesis, electrical, and optical properties of conjugated polymers / Kiebooms R., Menon R., Lee K. // Academic Press. 2001. Vol. 8. 126 p.

7. Burgues-Ceballos I. et al. Transparent organic photovoltaics: A strategic niche to advance commercialization // Joule, 2021. Vol. 5, № 9. P. 22612272.

8. Zou J. et al. Recent advances in organic photodetectors // Photonics, 2024. Vol. 11, № 11. P. 1014.

9. Annadhasan M. et al. Mechanophotonics: flexible single-crystal organic waveguides and circuits // Angewandte Chemie International Edition, 2020. Vol. 59, № 33. P. 13852-13858.

10. Wang Q., Aziz H. Exciton-induced degradation of organic/electrode interfaces in ultraviolet organic photodetectors // Organic Electronics, 2013. Vol. 14, № 11. P. 3030-3036.

11. Lee S. et al. Degradation mechanism of solution-processed organic light-emitting diodes: sputter depth-profile study // Applied Surface Science, 2021. Vol. 564. P. 150402.

12. Neher D. et al. A new figure of merit for organic solar cells with transport-limited photocurrents // Scientific Reports, 2016. Vol. 6. P. 24861.

13. Chamberlain G.A. Organic solar cells: A review // Solar Cells, 1983. Vol. 8, № 1. P. 47-83.

14. Spanggaard H., Krebs F.C. A brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics // Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004. Vol. 83. P. 125-146.

15. Abdulrazzaq O. et al. Organic Solar Cells: A review of materials, limitations, and possibilities for improvement // Particulate Science and Technology, 2013. Vol. 31, № 5. P. 427-442.

16. Torres F.G. et al. Quantum dots in organic electronics: from solar cells to sensors // Materials Science and Engineering: B, 2025. Vol. 321. P. 118501.

17. Khorshev N.A., Lamkin I.A., Pavlova M.D. et al. Photodetectors based on colloidal quantum dots // 2023 Seminar on Fields, Waves, Photonics and Electro-optics: Theory and Practical Applications (FWPE), 2023.

18. Soltani R., Katbab A.A., Ameri T. Recent developments in quantum dots/CNT co-sensitized organic solar cells // Journal of Material Science & Engineering, 2017. Vol. 6, № 3. P. 100034.

19. Muchuweni E. et al. Recent applications of carbon nanotubes in organic solar cells // Frontiers in Chemistry, 2022. Vol. 9. P. 733552.

20. Li Y., Chen H., Zhang J. Carrier blocking layer materials and application in organic photodetectors // Nanomaterials, 2021. Vol. 11, № 6. P. 1404.

21. Yakimets I. et al. Polymer substrates for flexible electronics: achievements and challenges // Advanced Materials Research, 2010. Vol. 93-94. P. 5-8.

22. Kisslinger R., Hua W., Shankar K. Bulk heterojunction solar cells based on blends of conjugated polymers with II-VI and IV-VI inorganic semiconductor quantum dots // Polymers, 2017. Vol. 9, № 2. P. 35.

23. Rwenyagila E.R. A review of organic photovoltaic energy source and its technological designs // International Journal of Photoenergy, 2017. Vol. 2017, № 1. P. 1656512.

24. Rau U., Kirchartz T. Understanding energy loss in organic solar cells: toward a new efficiency regime // Joule, 2018. Vol. 2, № 1. P. 25-35.

25. Liu Z. et al. Minimizing energy losses in organic solar cells: mechanistic insights, material design, and morphological control // EES Solar, 2025. Vol. 1, № 1. P. 958-981.

26. Opitz A. et al. Energy level alignment at interfaces in organic photovoltaic devices // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2013. Vol. 190, Part A. P. 12-24.

27. Peet J. et al. Bulk heterojunction solar cells with thick active layers and high fill factors enabled by a bithiophene-co-thiazolothiazole push-pull copolymer // Applied Physics Letters, 2011. Vol. 98. P. 043301.

28. Mikhnenko O.V., Blom P.W.M., Nguyen T.-Q. Exciton diffusion in organic semiconductors // Energy & Environmental Science, 2015. Vol. 8. P. 18671888.

29. Wang Q., Zhang Y., Wei Z. Recent progress on organic near-infrared photodetectors: mechanism, devices, and applications // Chinese Journal of Chemistry, 2022. Vol. 41, № 8. P. 958-978.

30. Lee T.H. et al. Organic planar heterojunction solar cells and photodetectors tailored to the exciton diffusion length scale of a non-fullerene acceptor // Advanced Functional Materials, 2022. P. 2208001.

31. Lee S.-H. et al. Toward color-selective printed organic photodetectors for high-resolution image sensors: From fundamentals to potential commercialization // Materials Science and Engineering: R: Reports, 2022. Vol. 147. P. 100660.

32. Gong H., Lin J., Sun H. Nanocrystal array engineering and optoelectronic applications of organic small-molecule semiconductors // Nanomaterials, 2023. Vol. 13, № 14. P. 2087.

33. Kaienburg P. et al. Assessing the photovoltaic quality of vacuum-thermal evaporated organic semiconductor blends // Advanced Materials, 2022. Vol. 34, № 22. P. 2107584.

34. Liu J. et al. Organic photodetectors: materials, structures, and challenges // Solar RRL, 2020. Vol. 4, № 7. P. 2000139.

35. Pavlova M.D. et al. Organic photodetective device based on metal phthalocyanine // Journal of Physics: Conference Series, 2018. Vol. 1038. P. 012104.

36. Nath D. et al. CuPc/C60 heterojunction for high responsivity zero bias organic red light photodetector // Applied Physics A, 2020. Vol. 126, № 8. P. 627.

37. Chen Z. et al. п-Conjugated Polymers for High-Performance Organic Electrochemical Transistors: Molecular Design Strategies, Applications and Perspectives // Angewandte Chemie International Edition, 2023. Vol. 64, № 7. P.e202423013.

38. Khasbaatar A. et al. From solution to thin film: molecular assembly of п-conjugated systems and impact on (opto)electronic properties // Chemical Reviews, 2023. Vol. 123, № 13. P. 8395-8487.

39. Шишов М.А., Мошников В.А., Сапурина И.Ю. Наноструктуры олиго- и полианилина и их свойства // Физика и химия стекла, 2011. Т. 37, № 1. С. 146-153.

40. Shishov M.A., Moshnikov V.A., Sapurina I.Yu. Self-organization of polyaniline during oxidative polymerization: formation of granular structure // Chemical Papers, 2013. Vol. 67, № 8. P. 909-918.

41. Strobel N. et al. Organic photodiodes: printing, coating, benchmarks, and applications // Flexible and Printed Electronics, 2019. Vol. 4, № 4. P. 043001.

42. Ruiz-Preciado L.A. et al. Inkjet-printed high-performance and mechanically flexible organic photodiodes for optical wireless communication // Scientific Reports, 2024. Vol. 14. P. 3296.

43. Шишов М.А., Мошников В.А., Сапурина И.Ю. Получение слоев полианилина контролируемой толщины и морфологии методом in situ полимеризации // Журнал прикладной химии, 2013. Т. 86, № 1. С. 56-67.

44. Jahankhan M. et al. High-performance and scalable large-area organic solar cells enabled by alloy-like composite-induced optimized morphology processed from non-halogenated solvent in air // Chemical Engineering Journal, 2025. Vol. 510. P. 161811.

45. Fu H., Wang Z., Sun Y. Polymer donors for high-performance non-fullerene organic solar cells // Angewandte Chemie International Edition, 2019. Vol. 58, № 14. P. 4442-4453.

46. Трошин П.А., Любовская Р.Н. Органическая химия фуллеренов: основные реакции, типы соединений фуллеренов и перспективы их практического использования // Успехи химии, 2008. Т. 77, № 4. С. 323-369.

47. Jebnouni A. et al. Exploring the structural and electronic properties of fullerenes for advanced photodetectors, diodes, and solar cell applications // Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2025. Vol. 147. P. 125-148.

48. Yuan S. et al. Progress in research on organic photovoltaic acceptor materials // RSC Advances, 2025. Vol. 15. P. 2470-2489.

49. Doumon N.Y. et al. Photostability of Fullerene and Non-Fullerene Polymer Solar Cells: The Role of the Acceptor // ACS Applied Materials & Interfaces, 2019. Vol. 11, № 8. P. 8310-8318.

50. Tian L. et al. Recent advances of interface engineering for non-fullerene organic solar cells // Organic Electronics, 2021. Vol. 93. P. 106141.

51. Wang J. et al. The principles, design and applications of fused-ring electron acceptors // Nature Reviews Chemistry, 2022. Vol. 6. P. 614-634.

52. Lim J.W. Advances in polymeric semiconductors for next-generation electronic devices // Polymers, 2025. Vol. 17, № 23. P. 3174.

53. Suzuki M., Suzuki K., Won T., Yamada H. Impact of substituents on the performance of small-molecule semiconductors in organic photovoltaic devices via regulating morphology // Journal of Materials Chemistry C, 2022. Vol. 10. P. 1162-1195.

54. Wang J. et al. Broadband organic photodetectors based on ternary blend active layers with enhanced and spectrally flat response // Journal of Materials Chemistry C, 2020. Vol. 8. P. 14049-14055.

55. An Q. et al. Versatile ternary organic solar cells: A critical review // Energy & Environmental Science, 2016. Vol. 9, № 2. P. 281-322.

56. Wang X. et al. Recent progress of organic photovoltaics with efficiency over 17% // Energies, 2021. Vol. 14, № 14. P. 4200.

57. PCDTBT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sigmaaldrich.com/RU/en/product/aldrich/753998 (дата обращения: 06.01.2026).

58. Bernardo G. et al. Different agglomeration properties of PC61BM and PC71BM in photovoltaic inks - a spin-echo SANS study // RSC Advances, 2020. Vol. 10. P. 4512-4520.

59. PC61BM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ossila.com/products/pcbm?_pos=1&_sid=63401872c&_ss=r (дата обращения: 06.01.2026).

60. PC71BM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ossila.com/products/pc70bm?_pos=3&_sid=959c33ca0&_ss=r (дата обращения: 06.01.2026).

61. Chen Y. et al. Efficient and balanced charge transport revealed in planar perovskite solar cells // ACS Applied Materials & Interfaces, 2015. Vol. 7, № 8. P. 4471-4475.

62. Ebenhoch B. et al. Charge carrier mobility of the organic photovoltaic materials PTB7 and PC71BM and its influence on device performance // Organic Electronics, 2015. Vol. 22. P. 62-68.

63. Aziz F. et al. Effective transformation of PCDTBT nanorods into nanotubes by polymer melts wetting approach // Journal of Saudi Chemical Society, 2017. Vol. 21, № 6. P. 720-730.

64. Kordos K. et al. PCDTBT: Force field parameterization and properties by molecular dynamics simulation // Journal of Physical Chemistry B, 2025. Vol. 129, № 13. P. 3492-3501.

65. Gao M. et al. Control of aggregated structure of photovoltaic polymers for high-efficiency solar cells // Aggregate, 2021. Vol. 2, № 5. P. e46.

66. Liu Y. et al. Optimizing nanoscale morphology and improving carrier transport of PCDTBT-PCBM bulk heterojunction by cyclic carboxylate nucleating agents // Organic Electronics, 2019. Vol. 65. P. 222-231.

67. Murugesan V.S. et al. Characterization of organic thin film solar cells of PCDTBT:PC71BM prepared by different mixing ratio and effect of hole transport layer // International Journal of Photoenergy, 2015. Vol. 2015, № 1. P. 687678.

68. Rana A. et al. Charge carrier formation following energy gap law in photo-activated organic materials for efficient solar cells // Energies, 2024. Vol. 17, № 9. P. 2114.

69. Gélinas S. et al. Ultrafast long-range charge separation in organic semiconductor photovoltaic diodes // Science, 2013. Vol. 343, № 6170. P. 12081211.

70. Love C.M. et al. Film morphology of high-efficiency solution-processed small-molecule solar cells // Advanced Functional Materials, 2013. Vol. 23, №. 40. P. 5019-5026.

71. Meng B. et al. Fine tuning of the PCDTBT-OR:PC71BM blend nanoscale phase separation via selective solvent annealing toward high-performance polymer photovoltaics // Nanotechnology, 2013. Vol. 24, № 48. P. 484004.

72. Li N. et al. Solution-processable infrared photodetectors: Materials, device physics, and applications // Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021. Vol. 146. P. 100643.

73. Wang Z. et al. Flexible near-infrared organic photodetectors for emergent wearable applications // Wearable Electronics, 2024. Vol. 1. P. 53-77.

74. Павлова М.Д. и др. Влияние технологических параметров формирования фоточувствительных структур на основе фталоцианина металла при использовании нефуллеренового акцептора на их характеристики // Оптический журнал, 2025. Т. 92, № 1. С. 80-89.

75. Copper (II) phthalocyanine [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sigmaaldrich.com/RU/en/product/aldrich/702854 (дата обращения: 06.01.2026).

76. Хоршев Н.А., Павлова М.Д. и др. Исследование влияния внедрения фталоцианина меди в качестве второго донора на характеристики фоточувствительных структур с объемным гетеропереходом на основе PCDTBT и PC61BM // Оптика и спектроскопия, 2023. Т. 131, № 12. С. 17141719.

77. Shlyapintokh V.Ya., Ivanov V.B. The quenching of singlet oxygen // Russian Chemical Reviews, 1976. Vol. 45, № 2. P. 99-110.

78. Шинкаренко Н.В., Алесковский В.Б. Синглетный кислород, методы получения и обнаружения // Успехи химии, 1981. Том 50, Вып. 3. С. 406-428.

79. Meitzner R. et al. Impact of P3HT materials properties and layer architecture on OPV device stability // Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019. Vol. 202. P. 110151.

80. Ansari M.A. et al. Synthesis and characterization of poly(3-hexylthiophene): improvement of regioregularity and energy band gap // RSC Advances, 2018. Vol. 8, № 15. P. 8319-8328.

81. Kalonga G. et al. Characterization and optimization of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and [6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) blends for optical absorption // Journal of Chemical Engineering and Materials Science, 2013. Vol. 4, № 7. P. 93-102.

82. Bakour A. et al. A study of the temperature effect on photoluminescence of the P3HT/MWNT nanocomposites // Materials Today: Proceedings, 2021. Vol. 36. P. 549-552.

83. P3HT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. ossila. com/products/p3ht?_pos=1 &_sid=ad59f458a&_ss=r (дата обращения: 05.01.2026)

84. Narra S. et al. Photoluminescence of P3HT:PCBM bulk heterojunction thin films and effect of external electric field // Journal of the Chinese Chemical Society, 2021. Vol. 69, № 1. P. 140-151.

85. Ghazy O., Freisinger B., Landfester K. Tuning the size and morphology of P3HT/PCBM composite nanoparticles: towards optimized water-processable organic solar cells // Nanoscale, 2020. Vol. 12. P. 22798-22807.

86. ITIC-F [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sigmaaldrich.com/RU/en/product/aldrich/901423 (дата обращения: 05.01.2026).

87. Li S. et al. Achieving and understanding of highly efficient ternary organic photovoltaics: from morphology and energy loss to working mechanism // Small Methods, 2022. Vol. 6, № 9. P. 2200828.

88. Zhang T. et al. Ternary organic photodetectors based on pseudo-binaries nonfullerene-based acceptors // Journal of Physics: Materials, 2021. Vol. 4. P. 045001.

89. Kafourou P. et al. Low dark current organic photodetectors utilizing highly cyanated non-fullerene acceptors // ACS Applied Materials & Interfaces, 2022. Vol. 14, № 34. P. 39141-39148.

90. Chou C.-M. et al. Scalable and blue photoluminescence emissions of (C4H9NH3)2PbBr4 2D perovskite fabricated by the dip-coating method using a co-solvent system // Crystals, 2022. Vol. 12, № 3. P. 418.

91. Casas Espinóla J.L., Hernández Contreras X.A. Effect of dielectric constant on emission of CdSe quantum dots // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2017. Vol. 28. P. 7132-7138.

92. Pavlova M. et al. Multiple increases in the photosensitivity of an organic structure with double-distributed heterojunction // Optics Materials Express, 2025. Vol. 15. P. 229-239.

93. Zhuang W. et al. Synthesis and electronic properties of diketopyrrolopyrrole-based polymers with and without ring-fusion // Macromolecules, 2021. Vol. 54, № 2. P. 970-980.

94. PBDTT-DPP [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. ossila. com/products/pbdtt-dpp?_pos= 1 &_sid=24e9a62d2&_ss=r (дата обращения: 15.01.2026).

95. Rana A. et al. Short-wave and near infrared п-conjugated polymers hosted in a biocompatible microemulsion: a pioneering approach for photoacoustic contrast agents // Journal of Materials Chemistry B, 2022. Vol. 10. P. 2680.

96. Павлова М.Д., Ламкин И.А., Тарасов С.А. Исследование влияния состава активного слоя органических фоточувствительных структур с объемным гетеропереходом на основе фуллеренового и нефуллеренового акцепторов на спектральные характеристики // Оптика и спектроскопия, 2026 (в печати).