與有機(jī)太陽能電池類似，有機(jī)光電倍增探測器的結(jié)構(gòu)主要包含單質(zhì)結(jié)及體異質(zhì)結(jié)兩種類型。最早提出的有機(jī)光電倍增探測器包含了陽極、活性層及陰極三個部分，夾在兩電極之間的活性層由單一的N型或P型有機(jī)化合物構(gòu)成，這種類型的器件被稱為單質(zhì)結(jié)器件。另外一種器件的活性層為給/受體(D/A)混合材料，被稱為體異質(zhì)結(jié)器件。

有機(jī)光電倍增探測器的兩種典型結(jié)構(gòu)：(a)單質(zhì)結(jié)(b)體異質(zhì)結(jié)

除了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)外，有機(jī)太陽能電池還有第三種典型結(jié)構(gòu)，即雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其活性層由N型半導(dǎo)體膜與P型半導(dǎo)體膜堆疊而成，而在關(guān)于有機(jī)光電倍增探測器的報(bào)道中卻沒有對雙異質(zhì)活性層的研究。而實(shí)際中，大量的工作是在電極和單質(zhì)結(jié)或體異質(zhì)結(jié)活性層之間引入界面修飾層來實(shí)現(xiàn)光電倍增性能從無到有的轉(zhuǎn)變或者是光電倍增性能的進(jìn)一步改善。另外，在活性層中摻雜其它材料，也是改善器件光電倍增性能的一種重要手段。

有機(jī)光電倍增探測器是利用電子陷阱輔助空穴形成隧穿效應(yīng)，或利用空穴陷阱輔助電子形成隧穿效應(yīng)，從而使得外電路中的載流子大量注入回路，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過100%的外量子效率。具體地，當(dāng)金屬電極與有機(jī)半導(dǎo)體層接觸時(shí)，由于兩者費(fèi)米能級不同，導(dǎo)致在其界面處產(chǎn)生能帶彎曲，即形成肖特基(Schottky)結(jié)。當(dāng)金屬電極的費(fèi)米能級高于有機(jī)半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級時(shí)，形成了從電極指向有機(jī)半導(dǎo)體層的內(nèi)建電場，即在有機(jī)材料界面處形成一個向下的彎曲，阻礙了有機(jī)半導(dǎo)體中的空穴向電極中擴(kuò)散。當(dāng)金屬電極的費(fèi)米能級低于有機(jī)半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級時(shí)，形成了從有機(jī)半導(dǎo)體層指向電極的內(nèi)建電場，即在有機(jī)材料界面處形成一個向上的彎曲，這會阻礙有機(jī)半導(dǎo)體中的電子向電極中擴(kuò)散。

當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體材料內(nèi)部存在大量的空穴或電子陷阱時(shí)，這些陷阱所俘獲的載流子在外加電壓的作用下傳輸?shù)接袡C(jī)半導(dǎo)體與電極的交界區(qū)域，引起肖特基結(jié)區(qū)勢壘窄化，實(shí)現(xiàn)電流倍增。例如，對于有機(jī)半導(dǎo)體中存在大量電子陷阱的情形，光照后，光生電子被電子陷阱俘獲。當(dāng)在電極端施加正向偏壓時(shí)，陷阱電子在外加電場的作用下向肖特基結(jié)區(qū)傳輸。電子到達(dá)結(jié)區(qū)窄化了肖特基結(jié)，提高了結(jié)區(qū)的電場強(qiáng)度，引起外電路的空穴從電極隧穿注入有機(jī)半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)電流倍增效應(yīng)。這是利用電子陷阱輔助空穴實(shí)現(xiàn)隧穿效應(yīng)的原因。

而對于有機(jī)半導(dǎo)體中存在大量空穴陷阱的情形，光照后，光生空穴首先會被空穴陷阱俘獲，當(dāng)在電極一端施加反向偏壓時(shí)，光生空穴被陷阱俘獲后會在外加電場的作用下向肖特基結(jié)區(qū)傳輸?？昭ǖ竭_(dá)結(jié)區(qū)窄化了肖特基結(jié)，引起外電路的電子從電極大量隧穿注入有機(jī)半導(dǎo)體。以上所述為有機(jī)光電倍增探測器中空穴陷阱輔助實(shí)現(xiàn)的電子隧穿效應(yīng)。具體原理過程如圖所示。

有機(jī)光電倍增探測器的工作原理圖

審核編輯：湯梓紅