光伏納米電池，用于高性能大規模內建有機光電半導體，解決限制商業化的重大難題，
高性能大規模內建有機光電半導體需要在高分辨率像素化過程中保持良好光電轉換能力的半導體層。然而，由于缺乏對納米級結構的精确設計，光電性能與器件微型化之間的權衡極大地限制了商業應用的成功。在這裡，複旦大學魏大程研究員團隊展示了一種光伏納米電池增強政策，它克服了這一權衡，實作了超越大規模內建水準的高性能有機光電半導體。将基于鈣钛礦量子點的核殼光伏納米電池嵌入可光交聯的有機半導體中，利用光刻技術制造出超大規模內建（>221 個單元）成像晶片。2,700 萬個像素互相連接配接，像素密度為每平方厘米 3.1 × 106，比現有的有機成像晶片至少高出兩個數量級，相當于最新的商用全畫幅互補金屬氧化物半導體照相機晶片。嵌入式光伏納米電池可誘導原位光栅調制，使光緻發光率和檢測率分别達到 6.8 × 106 A W-1 和 1.1 × 1013 Jones（1 Hz 時），實作了大規模或更高內建度有機成像晶片的最高值。此外，基于光電納米電池的超大規模內建（大于 216 個單元）可拉伸仿生視網膜被制造出來，用于神經形态成像識别，不僅分辨率高，而且光緻發光率和功耗也接近生物視網膜。相關成果以“Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors”為題發表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者為張申。
光伏納米電池平面光伏電池利用異質結上的内置電場分裂光生激子（圖1a），電子和空穴分别轉移到陰極和陽極，将光能轉化為電能并産生光電流。相比之下，納米電池具有核殼結構，在界面上産生内置電場，使激子分裂并驅動電荷分别向核心和外殼移動，核心儲存電荷，避免電荷外逸，是以可作為光電增強的納米調制器（圖1b）。PQD核和MA-PTDPPTFT4殼組成的納米電池嵌入OPT活性層中，解決了傳統OPT光電轉換效率低的問題（圖1c）。PQDs良好的光吸收和光電轉換能力在界面産生大量激子，促進高效光傳導，内置電場使PQD納米電池既能産生局部光電壓進行光充電，也能存儲電子，轉移曲線的滞後性證明了高效的捕獲效應。嵌入有源層中的PQD納米電池降低了屏蔽效應，提供納米級光栅控效應，調節溝道電導率，即使在大規模內建中也能提高有機成像傳感器的性能。
圖1：光伏納米電池高分辨率制造作者将PQD納米電池應用于內建有機成像晶片中，在POSC中雜化了PQD納米電池和p型半導體PTDPPTFT4及可交聯單體POSS等（圖2a）。在簡化的光刻制造過程中，材料旋塗在基底上并暴露于385nm光下，形成不溶性網絡（圖2b），PQD納米電池均勻嵌入其中。對照實驗顯示，與側鍊交聯結構相比，納米互穿結構既保證了光刻性能，又保證了高流動性。PQD納米電池提高了POSC的曝光靈敏度，曝光劑量降低了58%（圖2c），實作了亞微米圖案化能力，并在多種基底上制作出高分辨率圖案（圖2d-h）。通過多步光刻技術，作者制造出了具有2,700萬個底栅底接觸OPT和2微米PQD納米電池-POSC通道的超大規模內建電路全幀成像晶片，4,500×6,000像素陣列（圖2i）和互連矩陣（圖4a-c），密度達每平方厘米3.1×106機關（相當于4,016 PPI），達到人類視網膜和最新全畫幅相機晶片的水準（圖2k）。此外，将1平方厘米、1,250×2,500個像素的互連矩陣轉移到PDMS上并進行保形附着（圖2j），展示了可穿戴內建光電子技術的潛力。
圖 2：采用 PQD 納米電池的 ULSI OPTULSI成像晶片的性能PQD納米電池使超大規模內建電路成像晶片具有出色的光電性能。非連接配接陣列中的單個器件顯示出典型的p型半導體特性（圖3a）。光電流（Iph）和門檻值電壓偏移（ΔVth）随照明功率密度增加，在PD=1276 μW cm-2時分别達到2.7 μA和110 V，在低PD=0.588 μW cm-2時仍保持較高的ΔVth。PQD納米電池-POSC OPT具有較大的ΔVth和高Id/Id,0比率，顯示其調制效率和增強效應。微型化過程中，PQD納米電池-POSC OPT保持了高光電性能，2μm溝道OPT在PD=0.588 μW cm-2時R值達6.8 × 106 A W-1（圖3c）。D在1 Hz時為1.1 × 1013 Jones，0.16 Hz時為2.0 × 1013 Jones，顯示出優異的微弱光檢測能力和長期穩定性（圖3d-e）。PQD納米電池-POSC ULSI成像晶片的R和D值顯著高于矽基成像傳感器（圖3f），在高性能柔性內建成像晶片中的應用潛力顯著。
圖3：光電性能均勻性對于微型裝置和高分辨率內建晶片至關重要。在二氧化矽/矽上的4,500 × 6,000晶片中，具有2μm溝道的OPT平均R值分别為6.8 × 106 A W-1和6.2 × 106 A W-1（圖4c、d）。評估從2,700萬像素中每500 × 500個器件中收集的108個器件，顯示所有器件運作良好，未連接配接晶片和互連晶片的R變異系數分别為5.5%和5.7%。高均勻性歸功于PQD納米電池-POSC的均勻聚集結構和光刻技術的可靠性。在6英寸SiO2/Si晶圓上制作的3,220個3 × 3像素矩陣中，測量13個矩陣（117個器件）的R變異系數為7.2%，成品率大于98%，顯示PQD納米電池-POSC在大規模高性能內建晶片中的可制造性（圖4e、f）。
圖 4：互連的 PQD-納米電池-POSC OPT 矩陣原位納米光控調制具有核殼異質結構的PQD納米電池顯著提升了曝光靈敏度、高效光電轉換和在溶液過程中的穩定性能。與不含配體的PQD-POSC對照樣品相比，PQD納米電池-POSC表現出更好的激子分離和高效光傳導性（圖5a-d）。PQD納米電池在450 nm光照下的光電流調制效果顯著優于純OSC和PQD-POSC（圖5e）。此外，核殼結構確定了穩定的PQD/OSC界面，防止侵蝕和結構蠕變，使R和D*在長時間儲存和顯影液中浸泡10小時後依然穩定（圖3d、e）。這種結構使PQD納米電池成為高效光敏劑、激子分裂器和原位納米調制器，極大提升了POSC的光電性能，且光響應波長區域可定制，适用于寬帶成像應用。
圖 5：納米級調制機制超大規模內建（VLSI）仿生視網膜的應用PQD納米電池-POSC在制造高性能內建有機成像傳感器方面表現出色，适用于機器人、視覺義肢和環境檢測中的生物仿生視網膜（圖6a）。該視網膜在柔性半球形PDMS上，密度達4.1×105像素/cm²，接近人類光感受器水準。通過四步光刻法圖案化制成，PQD納米電池視網膜展示了高效的光電流調制能力和優異的神經形态學性能（圖6b），并在光脈沖下表現出突觸可塑性（圖6c）。PQD納米電池視網膜具有低功耗、靈活性和可逆性，能夠在彎曲或拉伸後保持性能穩定（圖6d）。此外，高分辨率成像驗證了其自噪聲消除能力和高精度識别能力（圖6e-h）。該視網膜的功耗接近生物突觸水準，光電性能優越，機械性能接近人類視網膜，是高能效仿生圖像傳感的理想選擇。
圖6：PQD-納米細胞VLSI仿生視網膜小結總之，作者展示了光伏納米電池的概念，并克服了像素密度與光電性能之間的權衡問題，這可能是實作LSI有機成像晶片商業化所缺少的一塊拼圖（圖6）。納米電池的嵌入可通過納米級調制提高OSC的性能，适用于成像晶片、發光二極管和太陽能電池等光電器件。由于與微電子工業的相容性，這種政策有利于晶圓級、可靠和标準化生産高密度有機晶片。其他種類的PQD可用于定制光響應波長，交聯外殼和嵌入納米穿透POSC可在長期儲存、熱損傷和基底應變的情況下保持光傳導和調制，推動高性能內建光電器件在視覺假肢、機器人視覺系統和可穿戴光電器件方面的實際應用。
--檢測服務--
來源：高分子科學前沿