與有機太陽能電池類似，有機光電倍增探測器的結(jié)構主要包含單質(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型有機化合物構成，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。

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

除了這兩種經(jīng)典結(jié)構外，有機太陽能電池還有第三種典型結(jié)構，即雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構，其活性層由N型半導體膜與P型半導體膜堆疊而成，而在關于有機光電倍增探測器的報道中卻沒有對雙異質(zhì)活性層的研究。而實際中，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。

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

當有機半導體材料內(nèi)部存在大量的空穴或電子陷阱時，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半導體與電極的交界區(qū)域，引起肖特基結(jié)區(qū)勢壘窄化，實現(xiàn)電流倍增。例如，對于有機半導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。當在電極端施加正向偏壓時，陷阱電子在外加電場的作用下向肖特基結(jié)區(qū)傳輸。電子到達結(jié)區(qū)窄化了肖特基結(jié)，提高了結(jié)區(qū)的電場強度，引起外電路的空穴從電極隧穿注入有機半導體，實現(xiàn)電流倍增效應。這是利用電子陷阱輔助空穴實現(xiàn)隧穿效應的原因。

而對于有機半導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，當在電極一端施加反向偏壓時，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。空穴到達結(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半導體。以上所述為有機光電倍增探測器中空穴陷阱輔助實現(xiàn)的電子隧穿效應。具體原理過程如圖所示。

有機光電倍增探測器的工作原理圖

審核編輯：湯梓紅