Fabrication and optimization of visible and near-infrared organic photodetectors

Conjugated polymers represent a very appealing alternative to heavier and stiffer inorganic semiconductors. Their applications in optoelectronics industry have been investigated since the early 1990s. Such materials confer extremely peculiar properties to the device, such as mechanical flexibility, transparency and lightness, other than offering the possibility of being processed through cheap techniques over large areas. Devices, such as organic light-emitting diodes (OLEDs) or organic photovoltaics (OPV) have already reached technological maturity, and their markets are expected to increase exponentially in the next future. Organic photodetectors (OPDs) represent another interesting class of organic optoelectronics. Their sensing and imaging applications are widely investigated nowadays, with a particular interest on near-infrared (NIR) OPDs. Their implementation in smart bandages, e.g. oxymeter, is under investigation, and many industries worldwide have decided to invest on R&D about such devices. The working condition of an OPD is reached by applying a reverse bias voltage at the electrodes, so that, ideally, the electrical output should be given only by the photogenerated current. In reality, the signal is not ideal because of the presence of a parasitic current, called dark current. In the present project we have tried to understand the origin of such a current, with a particular focus on the physics of the involved conjugated polymers, and on the nature of different materials constituting the stack. Considerations about how the performances are influenced by polarity of the device, nature of the electron transport layer and presence of an edge cover layer were made. Thermal annealing treatment was investigated too, and optimization of design layout followed. Further investigation were made on some technological processes, i.e. encapsulation, related to the final commercialization of the device. A final light characterization took place for the NIR (PDPP3T-based) OPD, which showed a good value of both spectral responsivity and external quantum efficiency.

I polimeri coniugati rappresentando un’alternativa molto attraente rispetto ai più pesanti e rigidi semiconduttori inorganici. Le loro possibili applicazioni nell’industria optoelettronica sono state investigate fin dall’inizio degli anni ’90. Tali materiali conferiscono proprietà estremamente particolari al dispositivo, come flessibilità meccanica, trasparenza e leggerezza, oltre ad offrire la possibilità di poter essere prodotti a basso costo e su ampie superfici. Tali dispositivi, come diodi organici emettitori di luce (OLEDs) o pannelli fotovoltaici organici (OPV), hanno già raggiunto maturità tecnologica, e la loro commercializzazione aumenterà ulteriormente nei prossimi anni. Fotorecettori organici (OPDs) rappresentano un’altra interessante classe di dispositivi optoelettronici organici. Possibili applicazioni in sensoristica ed ‘imaging’ sono largamente investigate oggigiorno, con un particolare interesse riguardo a sensori di luce infrarossa (NIR OPDs). La loro implementazione in fasciature intelligenti, come per esempio un ossigenometro per misurare il livello di ossigeno nel sangue, è sotto studio, e molte aziende in tutto il mondo hanno deciso di investire in ricerca e sviluppo circa tali dispositivi. Il modus operandi di questi prevede l’applicazione di una differenza di potenziale inversa agli elettrodi, cosicchè, idealmente, l’output elettrico dovrebbe essere fornito esclusivamente dalla corrente generata dalla luce. In realtà, il segnale non è ideale a causa della presenza di una corrente parassita, chiamata corrente al buio. In tale progetto abbiamo cercato di capire l’origine di questa corrente, con particolare attenzione alla fisica dei polimeri coniugati coinvolti, e alla natura dei diversi materiali presenti nel dispositivo. Alcune considerazioni a proposito di come le prestazioni sono influenzate sia dalla polarità del dispositivo, che dalla natura dello strato elettron-trasportatore, che dalla presenza di uno strato isolante, son state fatte. Anche il trattamento termico di annealing è stato analizzato, seguìto dall’ottimizzazione della stuttura e del disegno del dispositivo. Infine, ulteriori analisi son state fatte riguardo a processi tecnologici, come l’incapsulamento, necessari alla commercializzazione del dispositivo. Una caratterizzazione finale in luce è stata fatta per il dispositivo costituito dal polimero sensibile a luce infrarossa (PDPP3T), il quale dimostrò una buona responsività spettrale, con un elevato rate di conversione tra fotone incidente ed elettrone generato.