通讯作者：北京交通大学梁志琴副教授
摘要：通过钙钛矿/有机准同质结实现了协同窄化效应，成功调控了光谱选择性，并降低了陷阱态密度。钙钛矿前层可有效衰减可见光子，而受体富集的有机层则建立了空间均匀的载流子传输场。这一机制限制了可见光电子的长程迁移，同时保持高效的近红外载流子提取，从而降低了暗电流。该自驱动器件在近红外I区（700–950 nm）实现了约70%的外量子效率和0.45 A/W的零偏压响应度。这一集成了光谱选择与电荷传输路径调控的策略，为实现纳瓦级弱光下的高性能近红外光探测提供了新途径。
一、研究背景
近红外（NIR）光探测器在生物医学成像、环境监测、安全通信、夜视与自动驾驶等领域具有重要应用价值。然而，传统NIR窄带探测器普遍依赖外加滤光片或外加偏压来实现光谱选择性。这些方法通常会造成光损耗、增加系统复杂度，或引入高噪声与能耗。而内置滤波方案（如电荷复合层或阻挡层）虽然简化了结构，却常伴随界面陷阱态增加与暗电流升高等问题。
因此，利用受体富集的有机准同质结增强相连通性、抑制陷阱的特性，基于钙钛矿/有机准同质结的结构，改善器件内部载流子的传输与收集，降低暗电流，在高响应度与光谱选择性间取得平衡，就显得尤为重要。
图1. 钙钛矿/有机准同质结探测器的设计与工作原理
二、研究机制
在有机体系中，给体聚合物主要承担空穴传输，而非富勒烯受体则辅助形成主要的电子传输通道，两者共同构建出分布式电荷分离界面。
在厚度优化的基础上，研究了给体PTB7-Th和受体Y6不同比例（1:1.2、1:4、1:8、1:20）的影响。通过EQE、PLQY、TRPL等光学测试，EIS、J-V等电学测试，以及SEM、TOF-SIMS、KPFM等形貌测试，再结合FDTD、wxAMPS仿真对器件内部光场和电场进行模拟，研究钙钛矿/有机准同质结构对对界面能级匹配与垂直内建电场的调控作用。
最终证明，钙钛矿/有机准同质结 (PTB7-Th:Y6 = 1:8) 在器件中有效抑制非辐射损耗，促进了界面处的定向电荷提取。最佳比例 1:8 时，平衡的给受体连通性与垂直内建电场共同截断了电子的长程渗透路径，并促进空穴向阳极的提取，界面电荷转移增强，从而减少电荷泄漏，以降低暗电流。
图2. 钙钛矿/有机准同质结光探测器的结构与厚度调控实现光谱选择性
图3. 钙钛矿/有机给体受体不同比例下界面能级调控与暗电流抑制
三、研究亮点
该研究报道了一种钙钛矿/有机准同质结新策略，实现了协同光学滤波与能级调控的自驱动NIR-I（700–950 nm）带通响应。具备：10.22/7.90 μs的响应时间、38.5 kHz的截止频率、167 dB的线性动态范围。在5 mW cm-2、5 Hz条件下进行15,000次开关循环后，器件仍保持约 80% 初始光电流。在稳定性测试中，封装后的器件在手套箱环境下放置超过200小时，光电流仅衰减10.4%。
主要亮点如下：
- 无需外部滤光片与偏压，实现700–950 nm NIR-I波段的自驱动带通探测；
- 外量子效率高达约70%，零偏压响应度达0.45 A W-1；
- 低暗电流（~1.78×10-10A cm-2），在0.6 nW cm-2的弱光下仍可清晰成像；
- 机理上，通过钙钛矿/有机协同作用实现“光谱窄化”，兼具光学过滤与陷阱钝化的效果；
- 应用上，实现稳定的810 nm单像素成像，在可见光背景下仍具高对比度与角度分辨率。
图4. PTB7-Th:Y6不同比例下器件的光电性能比较
四、应用前景
研究团队基于该器件搭建了单像素近红外成像系统，在普通室内光环境下能实现清晰的“BJTU”图案成像，具备较好的抗干扰与弱光成像能力。该研究为下一代低功耗、多光谱、可穿戴和夜视传感器提供了新思路。
图5. 钙钛矿/有机准同质结器件在弱光成像中的应用
五、总结：
该研究提出的钙钛矿/有机准同质结策略通过光谱选择与能级调控的协同作用实现陷阱钝化，在无需外部滤光片和外加偏压的条件下实现了高性能的近红外带通弱光探测。该工作为基于钙钛矿/有机体系的 NIR-I（近红外一区）光电探测提供了新的设计思路。
该论文第一作者为北京交通大学物理科学与工程学院朱子琪，梁志琴副教授为通讯作者。
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c05018
