CN102427096A - 一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法 - Google Patents

一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法，其作法是：以钛箔为阳极，铂为阴极，对钛箔进行氧化，得非晶态TiO2纳米管阵列；经处理后，得TiO2纳米管阵列；将钛箔置于高温反应釜内，再将Na2S2O3、Bi(NO3)3水溶液注入密封反应釜，热处理得Bi2S3-TiO2纳米管阵列；在Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖FTO，引出电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔上引出电极，将FTO与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的接触边缘封装即得本发明的光探测器。该方法能耗低，工艺、设备简单；制得物适用光谱范围大，适合做光谱分析；还可以做光敏开关等光电器件，具有广阔的应用前景。

Description

一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种宽光谱强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法。
背景技术
光探测器是利用具有光电效应的材料制成的能够实现光电转换的传感器，其作用是实现光电变换。其机理是由射入探测器的导波光束引起电子从价带到导带的受激跃迁，产生光生载流子(电子和空穴)。并由PN结或肖特基势垒将这些载流子收集起来，最终表现为光电压或光电流。大部分光电探测器由于光电材料具有特定的带隙，具有较强的光谱选择性，也即不同的光探测器的光谱响应度在不同波长是不同的。如响应在日盲区的深紫外探测器、响应在可见光的太阳能电池、响应在近红外的红外传感器、响应在中远红外的红外光电传感器。但这些探测器适用的光谱范围有限，光谱响应范围固定不可调节，限制了其应用范围。如用于光谱分析和标定，就需要同时使用各个谱段的众多光探测器，导致结构复杂、操作麻烦。虽然硅光探测器适用的光谱范围宽，但其制备通常需要经过熔炼、结晶、分割等高耗能的复杂生产过程，使其使用成本很高，并且硅探测器不具备光谱响应范围可调节的特性。
发明内容
本发明目的就是提供一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法，该方法的能耗低，制备工艺简单，所需设备简单；制备的光探测器能适用的光谱范围大，具有与硅光探测器一样的光谱标定能力，适合做光谱分析；同时光电压和光谱的响应可以通过外加电压来调节，还可以做光敏开关等光电器件，具有十分广阔的应用前景。
本发明实现其发明的目所采用的技术方案是一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法，其具体作法是：
a、TiO2纳米管阵列的制备及其晶化
以钛箔为阳极，铂为阴极，0.25wt％NH4F的乙二醇溶液为电解液，对钛箔进行3-6h的阳极氧化；取出钛箔，去离子水冲净，并超声处理5-8min，在钛箔上得到非晶态TiO2纳米管阵列；
将钛箔及其非晶态TiO2纳米管阵列以3-20℃/min的速率升温至450℃，保温退火3-4h，最后随炉冷却至室温，即在浸入电解液的钛箔部位生成锐钛矿型TiO2纳米管阵列，未浸入电解液的钛箔部位则无生成物附着；
b、水热法制备Bi2S3-TiO2纳米管阵列
将Na2S2O3添加到持续搅拌的0.008-0.01mol/L的Bi(NO3)3水溶液得反应液，加入的S与溶液中的Bi化学计量比为2∶3；然后将a步反应后的钛箔置于高温反应釜内的聚四氟乙烯内胆中，再将反应液注入，使反应液淹没TiO2纳米管阵列；最后密封反应釜，在100℃下热处理24h；取出钛箔，用去离子水冲洗，在50-70℃烘干1-3h，即在钛箔上已有锐钛矿型TiO2纳米管阵列的部位制得Bi2S3-TiO2纳米管阵列，钛箔的其余部位仍为纯钛箔；
c、探测器的组装
在钛箔的Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖一块方块面电阻为10-14欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，并在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃上引出电极作为第一电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔部位引出电极作为第二电极，用热熔胶将掺杂氟的SnO2透明导电玻璃与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的边缘接触处进行封装，即得表面光伏型光探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明通过阳极氧化在钛基底上形成二氧化钛纳米管，再在硝酸铋和硫代硫酸钠的混合溶液中成功制得钛基Bi2S3-TiO2纳米管阵列。由于TiO2是宽禁带半导体，其响应能力在紫外光区(＜400nm)，而Bi2S3是窄禁带半导体，可以吸收大部分波长的光线，两者复合大大提高光电响应的范围，从而使得本发明制得的光探测器能适用的光谱范围大，实验证明，本发明制得的光探测器光谱响应范围为300-800nm，具有与硅光探测器一样的光谱标定能力，适合做光谱分析等宽光谱应用场合。
二、同时由于Bi2S3与TiO2复合后形成异质结，这个异质结可以通过电场调节其对电子空穴对的分离能力，进而可以实现光电控制等多功能效应。实验证明：本发明制得的光探测器的光电压和光谱的响应可以通过外加电压来调节，在正负电场作用下两者的电压差高达200倍，可用作电控光开关等新型光电器件，具有十分广阔的应用前景；在外加负电场(-0.1v)的条件下，对紫外光的响应强度相对于其它波长强很多，可以在这种条件下专门用作紫外线的探测。
三、本发明的工艺以无机盐为原料，主要步骤为液相沉淀，反应温和，耗能小，对设备无特殊要求，制备成本低。
下面结合附图和具体的实施方式，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例一制备的TiO2纳米管阵列的扫描照片图。
图2是本发明实施例一制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的扫描照片图。
图3是本发明实施例一制备的TiO2纳米管阵列和Bi2S3-TiO2纳米管阵列的X射线衍射(XRD)分析图。
图4是实施例一制备的TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。
图5是本发明实施例一制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。
图6是标准的硅光探测器的波长-表面光电压关系图。
图7是本发明实施例一制备的表面光伏型光探测器的正负电场表面光电压比值-波长关系图。
图8是本发明实施例一制备的的表面光伏型光探测器在负电场(-0.1V)作用下的波长-表面光电压关系图(放大)。
图9是实施例二制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的扫描照片图。
图10是实施例二制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。
图11是实施例二制备的的表面光伏型光探测器在负电场(-0.1V)作用下的波长-表面光电压关系图(放大)。
具体实施方式
实施例一
本发明的一种具体实施方式为：一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法，其具体作法是：
a、TiO2纳米管阵列的制备及其晶化
以钛箔为阳极，铂为阴极，0.25wt％ NH4F的乙二醇溶液为电解液，对钛箔进行3h的阳极氧化；取出钛箔，去离子水冲净，并超声处理5min，在钛箔上得到非晶态TiO2纳米管阵列；
将钛箔及其非晶态TiO2纳米管阵列以3℃/min的速率升温至450℃，保温退火3h，最后随炉冷却至室温，即在浸入电解液的钛箔部位生成锐钛矿型TiO2纳米管阵列，未浸入电解液的钛箔部位则无生成物附着；
b、水热法制备Bi2S3-TiO2纳米管阵列
将Na2S2O3添加到持续搅拌的0.01mol/L的Bi(NO3)3水溶液得反应液，加入的S与溶液中的Bi化学计量比为2∶3；然后将a步反应后的钛箔置于高温反应釜内的聚四氟乙烯内胆中，再将反应液注入，使反应液淹没TiO2纳米管阵列；最后密封反应釜，在100℃下热处理24h；取出钛箔，用去离子水冲洗，在50℃烘干2h，即在钛箔上已有锐钛矿型TiO2纳米管阵列的部位制得Bi2S3-TiO2纳米管阵列，钛箔的其余部位仍为纯钛箔；
c、探测器的组装
在钛箔的Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖一块方块面电阻为10欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，并在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃上引出电极作为第一电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔部位引出电极作为第二电极，用热熔胶将掺杂氟的SnO2透明导电玻璃与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的边缘接触处进行封装，即得表面光伏型光探测器。
图1是实施例一制备的TiO2纳米管阵列的扫描照片图。可以看出明显的管状结构，表面光滑，没有附着物。
图2是实施例一制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的扫描照片图。与水热反应前相比，纳米管的内外均附着了尺寸为20nm的纳米粒子。
图3是实施例一制备的TiO2纳米管阵列和Ti2S3-TiO2纳米管阵列的XRD分析图。图3中的曲线a为水热反应前的XRD曲线，该曲线表明水热反应前的纳米管为TiO2，同时还有未反应的Ti基底；图3的曲线b为水热反应后的XRD曲线，该曲线还出现了Bi2S3的晶相，说明存在Bi2S3；结合图2可知，纳米管为TiO2纳米管，20nm的纳米粒子为Bi2S3，即通过水热制备成功了Bi2S3-TiO2纳米管阵列。
图4是实施例一制备的TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。横坐标表示波长，纵坐标表示波长对应的表面光电压值，可以看出其光电压只在紫外区产生(300-400nm)。
图5是实施例一制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。可以看出，在300-800nm均出现了电压信号，且加正电场的比加负电场的电压强很多。同时可以看出在300-800nm的电压信号呈分布不均，呈锯齿状，说明光源在不同波长下的光强分布不同。
图6是标准硅探测器的波长-表面光电压关系图。该图与图5的光源光强分布完全一致。也即，本例制得的探测器探测的光源光强分布与硅光探测器的结果完全一致，证明本发明的探测器可以用来做光源的能量分布图分析和测试。
图7是实施例一制备的表面光伏型光探测器的正负电场表面光电压比值-波长关系图。其横坐标是波长，纵坐标对应与0.1v作用下的光电压与-01.v作用下的光电压的比值，可见，在400-600nm波段，正电场的光电压比负电场的光电压高200倍作用，利用这种效应，本例的光伏型光探测器可以用作电场控制的光敏开关等器件。
图8是实施例一制备的的表面光伏型光探测器在负电场(-0.1V)作用下的波长-表面光电压关系图(放大)。可见在负电场作用下，紫外区的光电压明显比其它波段的光伏响应强，因此，在-0.1V电场条件下，本发明的光探测器可以用作紫外光探测器。
实施例二
本例的具体做法是
a、TiO2纳米管阵列的制备及其晶化
以钛箔为阳极，铂为阴极，0.25wt％NH4F的乙二醇溶液为电解液，对钛箔进行6h的阳极氧化；取出钛箔，去离子水冲净，并超声处理8min，在钛箔上得到非晶态TiO2纳米管阵列；
将钛箔及其非晶态TiO2纳米管阵列以20℃/min的速率升温至450℃，保温退火3.5h，最后随炉冷却至室温，即在浸入电解液的钛箔部位生成锐钛矿型TiO2纳米管阵列，未浸入电解液的钛箔部位则无生成物附着；
b、水热法制备Bi2S3-TiO2纳米管阵列
将Na2S2O3添加到持续搅拌的0.008mol/L的Bi(NO3)3水溶液得反应液，加入的S与溶液中的Bi化学计量比为2∶3；然后将a步反应后的钛箔置于高温反应釜内的聚四氟乙烯内胆中，再将反应液注入，使反应液淹没TiO2纳米管阵列；最后密封反应釜，在100℃下热处理24h；取出钛箔，用去离子水冲洗，在60℃烘干1h，即在钛箔上已有锐钛矿型TiO2纳米管阵列的部位制得Bi2S3-TiO2纳米管阵列，钛箔的其余部位仍为纯钛箔；
c、探测器的组装
在钛箔的Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖一块方块面电阻为14欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，并在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃上引出电极作为第一电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔部位引出电极作为第二电极，用热熔胶将掺杂氟的SnO2透明导电玻璃与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的边缘接触处进行封装，即得表面光伏型光探测器。
图9是实施例二制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的扫描照片图。该图表面本例的制备物为在TiO2纳米管表面附着了Bi2S3粒子的Bi2S3-TiO2纳米管阵列。
图10是实施例二制备的Bi2S3-TiO2纳米管阵列的波长-表面光电压关系图。可以看出，在300-800nm均出现了电压信号，且加正电场的比加负电场的电压强很多，但其光电压值的幅度较实施例一更小，这是因为Na2S2O3的浓度变小所致。
图11是实施例二制备的的表面光伏型光探测器在负电场(-0.1V)作用下的波长-表面光电压关系图(放大)。可见在负电场作用下，紫外区的光电压明显比其它波段的光伏响应强，因此，在-0.1V电场条件下，本例的光探测器也可用作紫外光探测器。
实施例三
本例的具体做法是
a、TiO2纳米管阵列的制备及其晶化
以钛箔为阳极，铂为阴极，0.25wt％NH4F的乙二醇溶液为电解液，对钛箔进行5h的阳极氧化；取出钛箔，去离子水冲净，并超声处理6min，在钛箔上得到非晶态TiO2纳米管阵列；
将钛箔及其非晶态TiO2纳米管阵列以10℃/min的速率升温至450℃，保温退火4h，最后随炉冷却至室温，即在浸入电解液的钛箔部位生成锐钛矿型TiO2纳米管阵列，未浸入电解液的钛箔部位则无生成物附着；
b、水热法制备Bi2S3-TiO2纳米管阵列
将Na2S2O3添加到持续搅拌的0.009mol/L的Bi(NO3)3水溶液得反应液，加入的S与溶液中的Bi化学计量比为2∶3；然后将a步反应后的钛箔置于高温反应釜内的聚四氟乙烯内胆中，再将反应液注入，使反应液淹没TiO2纳米管阵列；最后密封反应釜，在100℃下热处理24h；取出钛箔，用去离子水冲洗，在70℃烘干3h，即在钛箔上已有锐钛矿型TiO2纳米管阵列的部位制得Bi2S3-TiO2纳米管阵列，钛箔的其余部位仍为纯钛箔；
c、探测器的组装
在钛箔的Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖一块方块面电阻为12欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，并在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃上引出电极作为第一电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔部位引出电极作为第二电极，用热熔胶将掺杂氟的SnO2透明导电玻璃与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的边缘接触处进行封装，即得表面光伏型光探测器。

Claims (1)

1.一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法，其具体作法是：
a、TiO2纳米管阵列的制备及其晶化
以钛箔为阳极，铂为阴极，0.25wt％ NH4F的乙二醇溶液为电解液，对钛箔进行3-6h的阳极氧化；取出钛箔，去离子水冲净，并超声处理5-8min，在钛箔上得到非晶态TiO2纳米管阵列；
将钛箔及其非晶态TiO2纳米管阵列以3-20℃/min的速率升温至450℃，保温退火3-4h，最后随炉冷却至室温，即在浸入电解液的钛箔部位生成锐钛矿型TiO2纳米管阵列，未浸入电解液的钛箔部位则无生成物附着；
b、水热法制备Bi2S3-TiO2纳米管阵列
将Na2S2O3添加到持续搅拌的0.008-0.01mol/L的Bi(NO3)3水溶液得反应液，加入的S与溶液中的Bi化学计量比为2∶3；然后将a步反应后的钛箔置于高温反应釜内的聚四氟乙烯内胆中，再将反应液注入，使反应液淹没TiO2纳米管阵列；最后密封反应釜，在100℃下热处理24h；取出钛箔，用去离子水冲洗，在50-70℃烘干1-3h，即在钛箔上已有锐钛矿型TiO2纳米管阵列的部位制得Bi2S3-TiO2纳米管阵列，钛箔的其余部位仍为纯钛箔；
c、探测器的组装
在钛箔的Bi2S3-TiO2纳米管阵列表面覆盖一块方块面电阻为10-14欧的掺杂氟的SnO2透明导电玻璃，并在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃上引出电极作为第一电极，在未生成Bi2S3-TiO2纳米管阵列的钛箔部位引出电极作为第二电极，用热熔胶将掺杂氟的SnO2透明导电玻璃与钛箔及其Bi2S3-TiO2纳米管阵列的边缘接触处进行封装，即得表面光伏型光探测器。
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