有机光电探测器（OPD）因其可针对需求定制进行灵活的光谱响应、便于片上集成的柔韧性，以及可通过溶液或真空工艺实现低成本制备等特性而备受关注。传统光伏型有机光电探测器（PV-OPD）已经取得了长足的进展，但这些器件通常具有较低的光响应，外量子效率（EQE）受限在100%以下，因此往往需要额外的读出电路来放大微弱的信号。基于此需求，外量子效率可显著超越100%的光倍增型有机光电探测器（PM-OPD）得到了广泛重视，并有望实现探测信号大幅放大，并使读出系统得以简化。时至今日，多种策略已成功被运用以实现并倍增效应，包括调节低给体或受体材料的含量组合以缩短载流子传输路径、引入载流子陷阱或阻挡层等。然而，严重的载流子捕获或阻挡效应往往也会导致响应速度减慢至毫秒甚至秒级，以及较高的暗电流密度，并且在施加高达数十伏特的工作偏压时功耗较大，从而阻碍了倍增型有机光电探测器的实际应用。因此，在实现增强的光响应的同时，平衡快速响应和高比探测率等器件性能至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近日，华南理工大学、德国德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden）和广州光达创新科技有限公司的科研团队开发出一种具有强电子捕获效果的新型非富勒烯受体BFDO-4F并将其引入活性层以引入能够有效捕获光生电子的陷阱态，结合传统倒装器件结构，实现了可偏压切换的光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器。这项研究以“Bias-Switchable Photomultiplication and Photovoltaic Dual-Mode Near-Infrared Organic Photodetector”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图1展示了新型非富勒烯受体BFDO-4F、活性层的吸收光谱和能级谱，以及倒装器件结构。图2展示了光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器在各种条件下的工作机制。器件选用PCE-10:COTIC-4F作为活性层主要成分，从而具有出色的宽范围（300–1200 nm）光响应。BFDO-4F作为第三组分有着较深的最低未占分子轨道（LUMO）能级，能够有效捕获活性层中的光生电子。结合经典的倒装器件结构，在正向偏压下，光生电子被捕获，而光生空穴在ZnO/BHJ界面处被阻挡。由此产生的能带弯曲使得外部空穴能够从阳极通过MoOx层注入至活性层中，从而表现出强烈的倍增效应。
图1 材料信息与器件结构
图2 光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器工作机制
随后，研究人员根据光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器的工作机制对器件的关键性能指标进行了评估，电流密度与非孪生复合系数随BFDO-4F质量分数增大而增大，反映了陷阱态增加导致的热激发以及复合增强，相关结果如图3和图4所示。
图3 光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器性能表征
图4 陷阱态与机制分析
研究人员还采用了掠入射广角X射线散射（GIWAXS）与透射电子显微镜（TEM）对不同BFDO-4F含量的共混薄膜进行了分析，相关结果如图5所示。从形貌的角度而言，BFDO-4F的添加引入了电荷传输陷阱。
图5 GIWAXS与TEM形貌分析
为了探索光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器在高度集成和小型化应用中的潜力，研究人员设计了一种能够作为自供电PM-OPD运行的多功能片上模块。该模块由两个部分组成：作为电源的PV部件和作为光电探测器的PM部件。这些组件通过3D打印外壳内的电路串联连接。研究人员利用光学体积描记法（PPG），光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器被成功应用于人体脉搏波信号的测量，相关实验结果如图6所示。
图6 光倍增-光伏双模式近红外有机光电探测器的应用探索与展示
这项研究利用非富勒烯受体BFDO-4F策略性地引入陷阱态，有效地将传统PV-OPD和PM-OPD的优势融合到一个多功能器件。该策略显著提升了器件性能，并拓宽了应用范围。此外，该研究对双模式有机光电探测器的机理与应用进行了深入的探究，凸显了其在光探测技术未来发展中的潜力，为高度集成和小型化的光电探测器应用提供了参考。
https://doi.org/10.1002/adma.202500491
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