Organik fotodedektörlerin SCAPS-1D tabanlı optimizasyonu: Geniş bant algılama için ince film ve arayüz mühendisliği
Optimization of organic photodetectors based on SCAPS-1D: Thin film and interface engineering for wide-band detection
- Tez No: 1011939
- Danışmanlar: PROF. DR. FEDAİ İNANIR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, organik fotodedektörlerin (OPD) ince film ve arayüz optimizasyonu yoluyla performansının artırılmasına yönelik sistematik bir hesaplamalı çalışmayı sunmaktadır. Çalışmada, etkin ortam yaklaşımı altında SCAPS-1D sürüklenme-difüzyon simülatörü kullanılmıştır. UV, görünür ve yakın kızılötesi spektral aralıkları kapsayan beş farklı aygıt mimarisi incelenmiştir: (1) görünür bölge algılama için P3HT/PCBM (400–750 nm); (2) UV-seçici yanıt hedefleyen PTB7/Spiro-OMeTAD (80–510 nm); (3) delik taşıyıcı katman (HTL) olarak Spiro-OMeTAD içeren PBDB-T/ITIC; (4) HTL olarak grafen oksit (GO) içeren PBDB-T/ITIC; ve (5) geniş bantlı görünür-NIR algılama için PEDOT:PSS/PFN:Br taşıyıcı katmanlı PBDB-T-2F:BTP-4F (300–1200 nm). Her mimari için kritik aygıt parametreleri sistematik biçimde değiştirilmiştir: aktif katman ve taşıyıcı katman kalınlıkları, sığ donör katkılama yoğunlukları, elektrot iş fonksiyonları ve arayüz kusur (tuzak) yoğunlukları. Performans; duyarlılık R(λ), harici kuantum verimliliği (EQE), karanlık akım yoğunluğu J_karanlık, spesifik dedektivite D* ve standart fotovoltaik metrikler (Jsc, Voc, FF, PCE) açısından değerlendirilmiştir. P3HT/PCBM sisteminin optimizasyonu; 1200 nm (P3HT) ve 20 nm (PCBM) optimum katman kalınlıkları, 10²⁰ cm⁻³ donör yoğunluğu ve 4,9 eV alüminyum elektrot iş fonksiyonu koşullarında 600 nm'de 0,456 A/W tepe duyarlılığı ile Jsc = 23,41 mA/cm², Voc = 1,91 V, FF = %91,10 ve PCE = %40,79 değerlerini vermiştir. Sırasıyla 1200 nm ve 1000 nm aktif ve taşıyıcı katman kalınlıklarında optimize edilen PTB7/Spiro-OMeTAD mimarisi, 415 nm'de ~0,35 A/W UV tepe duyarlılığı ve 1,15 × 10¹² Jones spesifik dedektivite ile PCE = %21,83 değerlerine ulaşmıştır. PBDB-T/ITIC yapılandırmaları arasında GO tabanlı aygıt, 800 nm'de 0,66 A/W ile en yüksek duyarlılığı ve görünür bölgede %97,7 kuantum verimini sağlamıştır (PCE = %30,80); PBDB-T-2F:BTP-4F sistemi ise 300–900 nm aralığında birliğe yakın kuantum verimliliği (QE > %99) ve 800 nm'de 0,65 A/W tepe duyarlılığı elde etmiştir (PCE = %30,40). Simülasyon sonuçları deneysel literatür değerlerini tutarlı biçimde aşmaktadır; bu fark, mükemmel arayüzler, bant benzeri taşınım ve morfolojik bozukluk içermeyen idealize koşullar varsayan sürüklenme-difüzyon modellemesinin doğasından kaynaklanmaktadır. Çalışma; aygıt performansının arayüz tuzak yoğunluğuna, elektrot iş fonksiyonu hizalamasına ve sıcaklığa duyarlılığını sayısal olarak belirlemekte, farklı spektral hedefler için duyarlılık ile dedektivite arasındaki dengeye ilişkin tasarım kuralları önermektedir. SCAPS-1D'nin eksitonik organik aygıtlara uygulanmasındaki sınırlılıklar açıkça tartışılmakta; EQE ve kırpılmış ışık ölçümleri aracılığıyla deneysel doğrulama yolu çizilmektedir. Fullerene olmayan alıcı (NFA) tabanlı sistemler, yüksek performanslı OPD'lere giden en umut verici yol olarak tanımlanmakta; simülasyon ile deney arasındaki farkı kapatmada arayüz pasivasyonu ve morfoloji kontrolü temel öncelikler olarak vurgulanmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a systematic computational study aimed at enhancing the performance of organic photodetectors (OPDs) through thin-film and interface optimization, using the SCAPS-1D drift-diffusion simulator under an effective-medium approximation. Five device architectures spanning the UV, visible, and near-infrared spectral ranges are investigated: (1) P3HT/PCBM for visible-range detection (400–750 nm); (2) PTB7/Spiro-OMeTAD targeting UV-selective response (80–510 nm); (3) PBDB-T/ITIC with Spiro-OMeTAD as hole-transport layer (HTL); (4) PBDB-T/ITIC with graphene oxide (GO) as HTL; and (5) PBDB-T-2F:BTP-4F with PEDOT:PSS/PFN:Br transport layers for broadband visible-NIR detection (300–1200 nm). For each architecture, critical device parameters are systematically varied: active-layer and transport-layer thicknesses, shallow donor doping densities, electrode work functions, and interface defect densities. Performance is evaluated in terms of responsivity R(λ), external quantum efficiency (EQE), dark current density Jdark, specific detectivity D*, and standard photovoltaic metrics (Jsc, Voc, FF, PCE). Optimization of the P3HT/PCBM system yielded a peak responsivity of 0.456 A/W at 600 nm with Jsc = 23.41 mA/cm², Voc = 1.91 V, FF = 91.10%, and PCE = 40.79% at optimal layer thicknesses of 1200 nm (P3HT) and 20 nm (PCBM), donor density of 10²⁰ cm⁻³, and aluminium electrode work function of 4.9 eV. The PTB7/Spiro-OMeTAD architecture, optimized at 1200 nm and 1000 nm active and transport layer thicknesses respectively, achieved a UV peak responsivity of ~0.35 A/W and specific detectivity of 1.15 × 10¹² Jones at 415 nm, with PCE = 21.83%. Among the PBDB-T/ITIC configurations, the GO-based device delivered the highest responsivity of 0.66 A/W at 800 nm and QE = 97.7% in the visible range (PCE = 30.80%), while the PBDB-T-2F:BTP-4F system achieved near-unity quantum efficiency (QE > 99%) over 300–900 nm and a peak responsivity of 0.65 A/W at 800 nm (PCE = 30.40%). Simulated performance consistently exceeds reported experimental values a gap attributed to the idealized nature of drift-diffusion modelling, which assumes perfect interfaces, band-like transport, and no morphological disorder. The study quantifies the sensitivity of device performance to interface trap density, electrode work function alignment, and temperature, and proposes design rules for balancing responsivity against detectivity across different spectral targets. Limitations of applying SCAPS-1D to excitonic organic devices are explicitly discussed, and an experimental validation pathway via EQE and chopped-light measurements is outlined. Non-fullerene acceptor (NFA)-based systems are identified as the most promising route toward high-performance OPDs, with interface passivation and morphology control highlighted as key priorities for closing the simulation-to-experiment gap.
Benzer Tezler
- BCZVB esaslı organik yarıiletken fotodedektörlerin yapısal (SEM), elektriksel, optoelektronik ve fotonik davranışlarının kapsamlı incelenmesi
A comprehensive investigation of the structural (SEM), electrical, optoelectronic, and photonic behaviors of BCZVB-Based organic semiconductor photodetectors
MEHMET YAMADAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Fizik ve Fizik MühendisliğiMalatya Turgut Özal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAYRAM GÜNDÜZ
- Farklı perovskit yapıların ince film aygıtlarda performanslarının araştırılması
Investigation of the performance of different perovskite structures in thin-film devices
NURHAN MEHMET VARAL
Doktora
Türkçe
2026
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAZİRET DURMUŞ
- Grafen esaslı fotodedektörlerin üretilmesi ve elektriksel özelliklerinin karakterizasyonu
Producti̇on of graphene based photodetector and characteri̇zati̇on of the electri̇cal properti̇es
AYŞEGÜL DERE
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAHRETTİN YAKUPHANOĞLU
- InAlAs/InGaAs metal-yarıiletken-metal fotodedektörlerin aygıt simülasyonu, epitaksiyel büyütülmesi ve karakterizasyonu
Device simulation, epitaxial growth, and characterization of the metal-semiconductor-metal photodetectors based on InAlAs/InGaAs
DUDU HATİCE ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilim ve TeknolojiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiNanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKAY DEMİR
- Influence of nitrogen dopingon photoconductivity of 3C - SiCultraviolet photodetectors (UVPD )
Azot katkılamasının 3C-SiC ultraviyole fotodetektörlerin (UVPD) fotoiletkenliği üzerindeki etkisi
IQRA WASIF
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER