柔性大面积有机光电二极管的性能已经进步到现在可以提供比传统硅光电二极管技术更多的优势，特别是在生物医学成像和生物识别监测等需要检测大面积低水平光的应用中。这种低噪声、经过溶液处理的柔性有机器件提供了使用任意形状的大面积光电二极管的能力，以取代传统硅光电二极管所需的复杂阵列，因为传统硅光电二极管在大面积应用中扩大规模的成本很高。这种有机器件在可见光光谱中的性能与刚性硅光电二极管相当--除了响应时间。

"我们所取得的成果是首次证明，这些在低温下由溶液产生的器件，每秒可以检测到少至几十万个光子的可见光，类似于黑暗天空中一颗恒星到达我们眼睛的光量，"佐治亚理工学院电气与计算机工程学院首席研究科学家Canek Fuentes-Hernandez说。"将这些材料涂覆到具有任意形状的大面积基板上的能力意味着，在要求响应时间在几十微秒范围内的应用中，柔性有机光电二极管现在比最先进的硅光电二极管具有一些明显的优势。"

11月6日出版的《科学》杂志介绍了大面积、低噪声有机光电二极管的开发和性能。该研究得到了多个组织的支持，包括海军研究办公室、空军科学研究办公室和美国能源部国家核安全管理局。

有机电子器件是基于由碳基分子或聚合物制造的材料，而不是传统的无机半导体，如硅。这种器件可以使用简单的溶液和喷墨印刷技术来制造，而不是传统电子产品制造中昂贵而复杂的工艺。目前，该技术已广泛应用于显示器、太阳能电池等器件中。

有机光电二极管使用的是聚乙亚胺，这是一种含胺聚合物表面改性剂，在佐治亚理工学院Joseph M. Pettit教授Bernard Kippelen实验室开发的光电器件中，发现可以产生空气稳定、低工作功能的电极。聚乙烯亚胺的使用也被证明可以生产出具有低水平暗电流的光伏设备--即使在黑暗中流过设备的电流。这意味着这些材料可以在光电探测器中有用，用于捕捉可见光的微弱信号。

"多年来，暗电流水平降低了很多，以至于不得不重新设计测量设备，以检测对应于百万分之一秒内一个电子的波动的电子噪声，"论文的第一作者Fuentes-Hernandez说。"这项工作反映了Kippelen小组六年多来的持续团队努力，并包含了最近毕业生Talha Kahn和Wen-Fang Chou的部分博士工作。这些集体努力产生了证明有机光电二极管具有这种性能水平所需的科学见解。"

新设备的一个应用是在脉搏血氧仪中，现在放在手指上测量心率和血氧水平。有机光电二极管可能允许在身体上放置多个设备，并且在工作时的光线比传统设备少10倍。这可以使可穿戴式健康监测器产生更好的生理信息和连续监测，而无需频繁更换电池。其他潜在的应用包括人机界面，如非接触式手势识别和控制。

一个未来的应用是通过闪烁检测电离辐射--荧光粉被高能粒子击中时发出的闪光。降低可以检测到的光的水平将提高设备的灵敏度，使其能够检测到较低水平的辐射。探测车辆或货柜发出的辐射需要很大的探测器面积，用有机光电二极管比用硅光电二极管阵列更容易制造。

有机光电二极管在X射线设备中也有类似的优势，医生希望使用尽可能小的辐射量，以最小的剂量传递给病人。在这里，同样，灵敏度、大面积和灵活的外形尺寸应该使有机光电二极管比硅基阵列更具优势。

"我们正在努力提高光电探测器的响应时间，因为生产快速光电探测器将实现许多额外的重要应用，"Fuentes-Hernandez说。"确实需要开发出更具可扩展性的光电探测器技术，这项工作的动机之一是推进我们知道的具有成本效益的有机技术的扩展。"

有机光电二极管可以显示出几十飞安培范围的电子噪声电流值和几百飞瓦的噪声等效功率值。除了在响应时间方面，有机光电二极管的关键性能因素与硅相比都很好，研究人员正在努力将其提高百倍，以实现未来的应用。

"因为我们使用的材料是用印刷技术从油墨中加工出来的，它们不像晶体材料那样有序，"Kippelen说。"因此，能够穿过这些材料的载流子迁移率和速度都比较低，所以你无法获得和硅一样的快速信号。但对于许多应用来说，你并不需要皮秒或纳秒级的响应时间。"

对于Kippelen来说，光电二极管的工作显示了25年来为提高有机电子材料性能所做努力的成果。这项工作是佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心的一部分，它涉及到广泛的器件建模以了解基础科学，以及不断提升材料性能的研究。

"有机薄膜比硅更有效地吸收光，所以你需要吸收这些光的整体厚度非常小，"Kippelen说。"即使你把它们的面积放大，你的探测器的整体体积仍然很小，用有机材料。如果你增加硅探测器的面积，你的材料体积就会变大，在室温下会产生大量的电子噪声。"

Kippelen实验室制作的光电二极管使用的活性层厚度只有500纳米。一克材料，大概只有手指头大小，可以涂满一张办公桌的表面。

Kippelen希望《科学》论文能帮助打开有机半导体的新大门。

"这样的进步将使我们改变传统的智慧，即改用能够带来可扩展设备的有机材料将意味着放弃性能，"他说。"我们无法预料到这种进步可能带来的所有新应用。"

除了已经提到的那些人，研究团队还包括Larissa Diniz、Julia Lukens、Felipe A. Larrain和Victor A. Rodriguez-Toro，他们都与Kippelen的实验室有关。

这项研究得到了海军部海军研究办公室N00014-15 14-1-0580和N00014-16-1-2520奖的支持；通过MURI先进有机光伏中心（CAOP）；空军科学研究办公室通过奖号FA9550-16-1-0168，FA9550-16-1-0168，N00014-16-1-2520和N00014-16-1-2520支持。FA9550-16-1-0168，能源部/国家核安全管理局(NNSA)通过不扩散使能能力联盟(CNEC)授予DE-NA0002576，通过使能技术和创新联盟授予DE-NA0003921。此外，智利国家科学和技术研究委员会通过博士研究金方案 "Becas Chile "赠款72150387提供了支持；哥伦比亚科学、技术和创新行政部通过Fulbright-Colciencias方案提供了支持；国家科学基金会通过大学生研究经历方案提供了支持；巴西科学流动方案通过学术培训机会赠款提供了支持。