一种高效率上转换器件及其制备方法

本申请涉及上转换器件，具体涉及一种高效率上转换器件及其制备方法。

背景技术：

1、上转换器件是将长波长的红外光转换为短波长的可见光的光学器件，其可实现红外光信息的探测，在生物医疗探测、成像、光通讯等领域具有广阔应用前景。常用的基于有机半导体的上转换器为非倍增型，其理论外部量子效率不超过100％，导致在检测微弱信号时输出很小，限制了其应用范围。

2、目前，为了提高上转换器件的光谱响应，并提高其响应速度、降低其实现高外量子效率所需的阈值电压，常采用如下两种方法对其进行倍增。其中第一类是改进体异质结活性层，第二类是改进电极旁边的电荷传输层。

3、第一类方法中，给体和受体材料之间的比例调整为以一种材料为主，其主要材料和次要材料的比例范围从20:1-100:1；其中次要材料与电极隔离，作为光生载流子聚集的陷阱，诱发带弯曲并降低电荷注入势垒。这种改进活性层的方法对于可见光光电二极管来说是有效的，然而对于近红外器件，其窄带隙材料的激子解离效率较低，需要更平衡的给体与受体比来减少重组损耗，并产生足够的光生电荷来触发光倍增，固该方法对近红外器件的倍增效果不佳。第二类的光倍增器件设计了界面层以增强陷阱辅助电荷注入，无需高度不平衡的活性层给受体比例，更适合于近红外响应。

4、然而，目前第二类器件在调整层间能级时会受到高暗电流的影响，其实现光电倍增将导致暗电流增加，导致器件性能降低，具体表现为阈值电压高、光-光转换效率低。基于此，改进电极旁边的电荷传输层的第二类器件仍有待改进。

技术实现思路

1、本申请提供一种高效率上转换器件及其制备方法，旨在解决现有的上转换器件在光-光转换效率低，阈值电压高的问题。

2、为了达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现。

3、本申请的第一方面，提供一种高效率上转换器件，包括自下而上依次设置的透明导电电极层、电子传输层、发光层、空穴传输层、光敏层和金属电极层；

4、所述光敏层包括电子给体材料、电子受体材料和电子陷阱材料，所述电子陷阱材料的lumo能级低于所述电子受体材料的lumo能级；

5、所述电子给体材料为ptb7-th，所述电子受体材料为ieico-4f；所述电子陷阱材料为tcnq或其衍生物；

6、所述空穴传输层为改性pedot:pss。

7、在一些实施方案中，所述ptb7-th和ieico-4f的质量比为1:(1～2)；所述tcnq的质量为ieico-4f质量的1～3wt％。

8、在一些实施方案中，所述改性pedot:pss，其通过如下方法制备：

9、将pedot:pss、异丙醇、fs-31混合搅拌，静置，得到改性pedot:pss。

10、在一些实施方案中，pedot:pss、异丙醇、fs-31的质量比为1:1:(0.002-0.005)。

11、在一些实施方案中，所述电子传输层包括设置在所述透明导电电极层上的氧化锌层和设置在氧化锌层上的peie层。

12、在一些实施方案中，所述发光层包括聚合物基空穴传输材料、小分子空穴传输材料、双极载流子传输材料和磷光发光材料。

13、在一些实施方案中，所述聚合物基空穴传输材料为pvk，小分子空穴传输材料为tcta，双极载流子传输材料为26dczppy，磷光发光材料为ir(ppy)3。

14、在一些实施方案中，所述pvk、tcta、26dczppy和ir(ppy)3的质量比为(4～6):(1～3):(1～3):(0.5～1)。

15、在一些实施方案中，所述透明导电电极层为ito；所述金属电极层为al。

16、本申请的第二方面，提供上述高效率上转换器件的制备方法，其特征在于，包括：

17、s1，取ito基板，旋涂一层氧化锌前驱液，在170～190℃进行退火；在氧化锌层上旋涂peie前驱液，在80～120℃下退火，得到电子传输层；

18、s2，在电子传输层上旋涂一层发光层，在110～130℃退火；

19、s3，在发光层上旋涂一层空穴传输层，在真空中于70～90℃退火；

20、s4，在空穴传输层上旋涂一层光敏层，在100～120℃退火；

21、s5，在光敏层上蒸镀金属电极层。

22、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

23、本申请的上转换器件通过在光敏层中引入深能级电子陷阱，辅助产生不平衡的空穴和电子浓度，从而实现活性层能带弯曲，并引起外电路中载流子的注入，实现倍增的效果。光敏层中具有光生载流子功能的给受体比例更为平衡，以减少重组损耗并产生足够的光生载流子触发倍增，实现对微弱信号进行增益，其红外光-可见光转换效率高，实现高效率的红外可视化功能。

技术特征：

1.一种高效率上转换器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的透明导电电极层、电子传输层、发光层、空穴传输层、光敏层和金属电极层；

2.根据权利要求1所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述ptb7-th和ieico-4f的质量比为1:(1～2)；所述tcnq的质量为ieico-4f质量的1～3wt％。

3.根据权利要求1所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述改性pedot:pss，其通过如下方法制备：

4.根据权利要求3所述的高效率上转换器件，其特征在于，pedot:pss、异丙醇、fs-31的质量比为1:1:(0.002-0.005)。

5.根据权利要求1所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述电子传输层包括设置在所述透明导电电极层上的氧化锌层和设置在氧化锌层上的peie层。

6.根据权利要求1所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述发光层包括聚合物基空穴传输材料、小分子空穴传输材料、双极载流子传输材料和磷光发光材料。

7.根据权利要求6所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述聚合物基空穴传输材料为pvk，小分子空穴传输材料为tcta，双极载流子传输材料为26dczppy，磷光发光材料为ir(ppy)3。

8.根据权利要求7所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述pvk、tcta、26dczppy和ir(ppy)3的质量比为(4～6):(1～3):(1～3):(0.5～1)。

9.根据权利要求1所述的高效率上转换器件，其特征在于，所述透明导电电极层为ito；所述金属电极层为al。

10.根据权利要求5所述的高效率上转换器件的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结本申请涉及上转换器件技术领域，公开了一种高效率上转换器件及其制备方法。高效率上转换器件包括自下而上依次设置的透明导电电极层、电子传输层、发光层、空穴传输层、光敏层和金属电极层；光敏层包括电子给体材料、电子受体材料和电子陷阱材料，电子陷阱材料的LUMO能级低于电子受体材料的LUMO能级；电子给体材料为PTB7‑Th，电子受体材料为IEICO‑4F；电子陷阱材料为TCNQ或其衍生物；空穴传输层为改性PEDOT:PSS。本申请的上转换器件通过在光敏层中引入深能级电子陷阱，辅助产生不平衡的空穴和电子浓度，从而实现活性层能带弯曲，并引起外电路中载流子的注入，实现倍增的效果；并能减少重组损耗并产生足够的光生载流子触发倍增，实现高效率的红外可视化功能。技术研发人员：姜学松,董仕龙,李瑾,马天骄,马晓东受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4