CN101976728A - 光伏型有机紫外半导体探测器 - Google Patents

光伏型有机紫外半导体探测器 Download PDF

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光伏型有机紫外半导体探测器，涉及光电技术领域，尤其是一种光伏型的有机紫外半导体探测器。本发明的一种光伏型有机紫外半导体探测器，在特殊材料衬底上设置特殊材料各功能层构成三层、五层或七层结构。相对于光导探测器而言，光伏探测器具有响应速度快、功耗低、易于形成阵列、无需偏置等优势。此外，有机半导体材料克服了无机半导体材料的缺点，使得制备成本更低，易于实现大面积、大阵列，光敏材料电阻率可控、无需制冷、可实现柔性加工，因此有机紫外光伏探测器在军事、民用以及一些特定领域具有重要的潜在应用价值。

Description

光伏型有机紫外半导体探测器
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其是一种光伏型的有机紫外半导体探测器。
背景技术
紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，不能引起人们的视觉。紫外探测器则是用于探测紫外光的设备，在环境监测、森林防火、科学研究、导弹告警等军民用领域有着广泛的应用。
现有的用于制作紫外探测器的材料主要有ZnO、GaN、SiC等无机宽带隙半导体材料，它们的特点是制备温度高，应用波段范围窄，价格昂贵，因此限制了紫外探测器的发展应用。德国西门子公司和奥尔登堡大学报道了基于有机半导体材料的可见光-紫外探测器，而其他国家的研究者虽合成出了具有紫外吸收特性的有机半导体材料，如2,6-双取代茚并芴衍生物和二硫代氨基甲酸酯类等，但未将其应用于有机紫外探测器上。如有机紫外半导体材料作为一种光电响应材料能应用于紫外探测器上，则可克服无机半导体材料的缺点，实现制备成低成本、大面阵的紫外探测器。
发明内容
本发明所要解决的就是目前无机紫外探测器成本高、不易实现光伏探测、不能实现柔性基底探测等要求的问题，提供一种光伏型的有机紫外半导体探测器。
本发明的一种光伏型有机紫外半导体探测器，在衬底上设置各功能层构成，各功能层从衬底向上分别设置低功函电极层、有机紫外半导体层和高功函电极层构成顶探测器；或是从衬底向上分别设置高功函电极层、有机紫外半导体层和低功函电极层构成底探测器，其特征在于衬底、高功函电极层、有机紫外半导体层和低功函电极层分别是：
衬底是Si基衬底、非晶玻璃衬底、石英衬底、多晶陶瓷衬底或是柔性塑料衬底；
低功函电极层由材料Na、Ag、Mg、Al、Zn、Ti、Cd、Ca、K、Li、U、In、Cs、Gd、Hf、La、Mn、Nb、Pb、V或Zr单独形成单质电极，或是至少两种的材料形成合金电极，或是不同单质形成多层电极；
有机紫外半导体层由蒽、菲或芴，或者以它们为母体的衍生物或以它们及它们的衍生物为单体形成的聚合物；
高功函电极层由材料Au、Cu、Cr、Ni、Co、C、Si、Pd、Pt、Se、ITO、AZO、Fe、Ir或Os单独形成单质电极，或是至少两种的材料形成合金电极，或是不同单质形成多层电极。
所述的功能层还包括电子传输层和空穴传输层，电子传输层在探测器是顶探测时设置于低功函电极层上，在探测器是底探测时设置于低功函电极层下；空穴传输层在探测器是顶探测时设置于高功函电极层下，在探测器是底探测时设置于高功函电极层上，其中：
电子传输层由材料Alq3、TAZ、PBD、Beq2、DPVBi、Almq3、OXD、BND、PV、Gaq3、 Inq3、Znq2、Zn(BTZ)2、TPBI、TPBI、ATZL、TPQ、TRZCF3、Zn(ODZ)2、Zn(TDZ)2,、Al(ODZ)3、 NPF-6、PSP或 SBBT单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发形成复合材料薄膜，或是不同材料依次蒸发形成不同厚度的组合薄膜；
空穴传输层由材料TPD、Spiro-TPD、NPD、HTM、TPAC、TTB、NPB、Spiro-NPB、TPTE、TNB、NCB、BCB、IDB、ISB、PPD、TPOTA、MTDBB、TDAPB、BPAPF或PVK单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发形成复合薄膜，或是不同材料依次蒸发形成不同厚度的组合薄膜。
增加的电子传输层使得器件电子的传输更为有利，而空穴传输层则是使得器件空穴的传输有利，从而增加了器件光生激子的解离。
功能层除了包括上述的电子传输层和空穴传输层外，还包括了电子收集层和空穴收集层，电子收集层在探测器是顶探测时设置于低功函电极层上，在探测器是底探测时设置于低功函电极层下；空穴收集层在探测器是顶探测时设置于高功函电极层下，在探测器是底探测时设置于高功函电极层上，其中：
电子收集层由材料LiF、CsF、Na2O、K2O、Rb2O:Al、Na2O:Al、K2O:Al、Rb2O:Al、MgO、MgF2、Al2O3或LiO2单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发或共溅射形成复合薄膜，或是不同材料依次共蒸发或共溅射形成不同厚度的组合薄膜；
空穴收集层由材料CuPc、TiOPc、PEDOT:PSS、m-MTDATA、2-TNATA、SiO2、SiOxNy、TiO2、PANI、PPY、TPD-Si2Cl、TPD-Si2OMe或Teflon单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发或共溅射形成复合薄膜，或是不同材料依次共蒸发或共溅射形成不同厚度的组合薄膜。
上述的有机紫外半导体层材料蒽、菲或芴，或者以它们为母体的衍生物或以它们及它们的衍生物为单体形成的聚合物被氧化剂或还原剂作用而形成受主或施主掺杂。
所述的功能层是通过热蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶、电子束蒸发、溶液旋涂或溶液印刷的方式单独形成各功能层，或是将这些任意方式组合后形成。
所述的各功能层，包括低功函电极层、有机紫外半导体层、高功函电极层、电子传输层、空穴传输层、电子收集层和空穴收集层，其每个功能层厚度大于0nm，小于等于300nm。
本发明的有机紫外光伏探测器，使用了不同的电子、空穴传输和收集等功能层，因而利于有机光伏器件pn结的形成，器件的pn结是由于使用了不同HOMO和LUMO的功能材料，而不同于无机光伏器件需要使用掺杂来实现pn结，有机光伏的pn结形成自由度很大，调制范围广。
相对于光导探测器而言，光伏探测器具有响应速度快、功耗低、易于形成阵列、无需偏置等优势。此外，有机半导体材料克服了无机半导体材料的缺点，使得制备成本更低，易于实现大面积、大阵列，光敏材料电阻率可控、无需制冷、可实现柔性加工，因此有机紫外光伏探测器在军事、民用以及一些特定领域具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1是实施例1结构示意图
图2是实施例2结构示意图
图3是实施例3结构示意图
图4是实施例4结构示意图
图5是实施例5结构示意图
图6是实施例6结构示意图
其中，衬底1，高功函电极层2，有机紫外半导体层3，低功函电极层4，电子传输层5，空穴传输层6，电子收集层7，空穴收集层8。
具体实施方式
实施例1：一种底探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用热蒸发的方法在衬底1上沉积150nm 的AZO，形成高功函电极层2；用环己烷和DMF溶解芴的聚合物，用匀胶机在高功函电极层2上旋涂100nm 芴的聚合物，形成有机紫外半导体层3；最后用热蒸发技术沉积150nm 的Mg:Ag合金，形成低功函电极层4。
实施例2：一种顶探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用磁控溅射方法在衬底1上沉积150nm的 Nb形成低功函电极层4，接着用热蒸发技术沉积100nm的芴，形成有机紫外半导体层3，最后用磁控溅射的方法沉积150nm的ITO，形成高功函电极层2。
实施例3：一种底探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用磁控溅射的方法在衬底1上沉积200nm的ITO，形成高功函电极层2，接着依次用热蒸发技术沉积10nm的NPD，形成空穴传输层6，100nm的菲，形成有机紫外半导体层3，10nm的Alq3形成电子传输层5，最后用热蒸发的方法沉积150nm的Mg:Ag合金形成低功函电极层4。
实施例4：一种顶探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用热蒸发的方法在衬底1上沉积150nm 的Mg:Ag合金，形成低功函电极层4；接着依次用热蒸发技术沉积10nm的 Alq3，形成电子传输层5；100nm的菲，形成有机紫外半导体层3；10nm的TPD，形成空穴传输层6； 最后用磁控溅射的方法沉积150nm的AZO，形成高功函电极层2。
实施例5：一种底探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用磁控溅射的方法在衬底上沉积150nm的AZO，形成高功函电极层2，再用热蒸发方法沉积5nm 的CuPc，形成空穴收集层8，接着依次用热蒸发技术沉积10nm的TPD，形成空穴传输层6，100nm蒽, 形成有机紫外半导体层3；10nm的Alq3，形成电子传输层5，1nm的 LiF，形成电子收集层7， 最后用热蒸发的方法沉积150nm的 Mg:Ag合金形成低功函电极层4。
实施例6：一种顶探测光伏型有机紫外半导体探测器，以石英片为衬底1，用热蒸发的方法在衬底1上沉积150nm的 Mg:Ag合金形成低功函电极层4，再用热蒸发方法沉积1nm的 LiF，形成电子收集层7，接着依次用热蒸发技术沉积10nm的Alq3，形成电子传输层5，100nm蒽, 形成有机紫外半导体层3，10nm的TPD，形成空穴传输层6，5nm的CuPc，形成空穴收集层8， 最后用磁控溅射的方法沉积150nm的AZO，形成高功函电极层2。 

Claims (6)

1.一种光伏型有机紫外半导体探测器，在衬底上设置各功能层构成，各功能层从衬底（1）向上分别设置低功函电极层（4）、有机紫外半导体层（3）和高功函电极层（2）构成顶探测器；或是从衬底（1）向上分别设置高功函电极层（2）、有机紫外半导体层（3）和低功函电极层（4）构成底探测器，其特征在于衬底（1）、高功函电极层（2）、有机紫外半导体层（3）和低功函电极层（4）分别是：
衬底（1）是Si基衬底、非晶玻璃衬底、石英衬底、多晶陶瓷衬底或是柔性塑料衬底；
低功函电极层（4）由材料Na、Ag、Mg、Al、Zn、Ti、Cd、Ca、 K、 Li、U、In、Cs、Gd、Hf、La、Mn、Nb、Pb、V或Zr单独形成单质电极，或是至少两种的材料形成合金电极，或是不同单质形成多层电极；
有机紫外半导体层（3）由蒽、菲或芴，或者以它们为母体的衍生物或以它们及它们的衍生物为单体形成的聚合物；
高功函电极层（2）由材料Au、Cu、Cr、Ni、Co、C、Si、 Pd、Pt、Se、ITO、AZO、Fe、Ir或Os单独形成单质电极，或是至少两种的材料形成合金电极，或是不同单质形成多层电极。
2.根据权利要求1所述的一种光伏型有机紫外半导体探测器，其特征在于功能层还包括电子传输层（5）和空穴传输层（6），电子传输层（5）在探测器是顶探测时设置于低功函电极层（4）上，在探测器是底探测时设置于低功函电极层（4）下；空穴传输层（6）在探测器是顶探测时设置于高功函电极层（2）下，在探测器是底探测时设置于高功函电极层（2）上，其中： 
电子传输层（5）由材料Alq3、TAZ、PBD、Beq2、DPVBi、Almq3、OXD、BND、PV、Gaq3、 Inq3、Znq2、Zn(BTZ)2、TPBI、TPBI、ATZL、TPQ、TRZCF3、Zn(ODZ)2、Zn(TDZ)2,、Al(ODZ)3、 NPF-6、PSP或 SBBT单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发形成复合材料薄膜，或是不同材料依次蒸发形成不同厚度的组合薄膜；
空穴传输层（6）由材料TPD、Spiro-TPD、NPD、HTM、TPAC、TTB、NPB、Spiro-NPB、TPTE、TNB、NCB、BCB、IDB、ISB、PPD、TPOTA、MTDBB、TDAPB、BPAPF或PVK单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发形成复合薄膜，或是不同材料依次蒸发形成不同厚度的组合薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种光伏型有机紫外半导体探测器，其特征在于功能层还包括了电子收集层（7）和空穴收集层（8），电子收集层（7）在探测器是顶探测时设置于低功函电极层（4）上，在探测器是底探测时设置于低功函电极层（4）下；空穴收集层（8）在探测器是顶探测时设置于高功函电极层（2）下，在探测器是底探测时设置于高功函电极层（2）上，其中：
电子收集层（7）由材料LiF、CsF、Na2O、K2O、Rb2O:Al、Na2O:Al、K2O:Al、Rb2O:Al、MgO、MgF2、Al2O3或LiO2单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发或共溅射形成复合薄膜，或是不同材料依次共蒸发或共溅射形成不同厚度的组合薄膜；
空穴收集层（8）由材料CuPc、TiOPc、PEDOT:PSS、m-MTDATA、2-TNATA、SiO2、SiOxNy、TiO2、PANI、PPY、TPD-Si2Cl、TPD-Si2OMe或Teflon单独形成单层薄膜，或是至少两种材料共蒸发或共溅射形成复合薄膜，或是不同材料依次共蒸发或共溅射形成不同厚度的组合薄膜。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种光伏型有机紫外半导体探测器，其特征在于有机紫外半导体层材料蒽、菲或芴，或者以它们为母体的衍生物或以它们及它们的衍生物为单体的聚合物被氧化剂或还原剂作用而形成受主或施主掺杂。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种光伏型有机紫外半导体探测器，其特征在于各功能层是通过热蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶-凝胶、电子束蒸发、溶液旋涂或溶液印刷的方式形成。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种光伏型有机紫外半导体探测器，其特征在于各功能层包括低功函电极层（4）、有机紫外半导体层（3）、高功函电极层（2）、电子传输层（5）、空穴传输层（6）、电子收集层（7）和空穴收集层（8），其每个功能层厚度大于0nm，小于等于300nm。
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