CN105355788A - ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器 - Google Patents

ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器 Download PDF

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Abstract

ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，属于光电子技术领域，尤其是一种高探测率无机与有机聚合物杂化的紫外光伏探测器。本发明的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于该探测器为多层结构，自上而下依次是玻璃层、ITO负极电极层、PEDOT:PSS薄膜层、PVK薄膜层、ZnO(NCs)薄膜层，以及Al正极电极层。本发明具有工艺简单，低成本，底偏压，高响应度，高探测率和可制成柔性器件等优点；在环境保护、紫外通信、天文学观测、生物医学研究和医疗卫生等领域具有重要的应有前景。

Description

ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，尤其是一种高探测率无机与有机聚合物杂化的紫外光伏探测器。
背景技术
紫外探测器被广泛应用于环境保护、紫外通信、天文学观测、生物医学研究和医疗卫生等领域。目前，用于制备紫外探测器的材料主要有GaN、ZnO以及Si等材料体系。由于Si基紫外探测器需要成本高的滤波片，因此限制了Si基紫外探测器的应用。GaN材料的则因其制备温度高，且Mg掺杂的p型GaN不易获得，阻碍了GaN基紫外探测器的发展。宽带隙半导体ZnO由于具有较宽的能带隙，而被广泛地用于紫外光电子器件的制备，然而由于自补偿效应的存在，目前p型ZnO材料的获得仍然是一个技术难题，限制了ZnO在紫外光电器件中的应用。如果将n型无机ZnO材料与p型有机紫外半导体材料结合起来形成有机与无机半导体pn异质结，这些结构新颖的异质结既结合了有机半导体的大面积及柔性优势，又兼具无机半导体高迁移率的优点，可以设计和制作更多新型的光电子器件，它们的性能是单独无机半导体异质结或有机半导体异质结所不具备的。因此人们开始注意到了有机/无机杂化的紫外探测器，有机聚合物可以通过旋涂成膜，工艺简单，成本低廉，易于制成柔性器件，基于无机与有机聚合物杂化的紫外探测器具有工艺简单，低成本，底偏压，高响应度，高探测率和可制成柔性器件等优点。
发明内容
本发明目的是提供一种低成本、高探测率的无机与有机聚合物杂化的紫外光伏探测。
本发明的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于该探测器为多层结构，自上而下依次是玻璃层、ITO负极电极层、PEDOT:PSS薄膜层、PVK薄膜层、ZnO(NCs)薄膜层，以及Al正极电极层。
其中，PVK为聚乙烯咔唑是一种有机聚合物，ZnO(NCs)为宽禁带n型无机透明半导体，PEDOT:PSS是聚苯胺衍生物。
所述的PEDOT:PSS薄膜层的厚度为20~60nm，PVK薄膜层的厚度为40~80nm，ZnO(NCs)薄膜层的厚度为100~200nm，Al电极的厚度为60~100nm。所述的PEDOT:PSS薄膜层、PVK薄膜层、ZnO(NCs)薄膜层采用旋涂的方式形成，AL电极层采用真空蒸镀方式。
所述的PVK薄膜层和ZnO(NCs)薄膜层是将PVK和ZnO(NCs)分别溶入氯仿溶液中经旋涂制成的，其PVK溶液的浓度为10~15mg/ml，ZnO(NCs)为80~100mg/ml。
本发明通过将空穴传输层物质PVK和电子传输物质ZnO纳米晶(NCs)分别溶入氯仿溶液里，经旋涂单独成膜，形成“本体异质结”。本发明的探测器，具有几个的优点：大面阵，本发明的ZnO纳米晶（NCs）、有机半导体薄膜等都容易实现大面积制备，因此基于此技术的探测器可以实现大面阵、高密度探测元阵列。响应速度快，本发明的有机与无机杂化半导体紫外探测器为光伏型器件，光生电子和空穴在内建电场下的解离、输运和收集效率高，输运路程短，因此探测器的响应速度快。低功耗，本发明的探测器为光伏型紫外探测器，可以在零偏置或低电压偏置条件下工作，因此器件功耗低。高探测率，鉴于典型的有机和无机材料组成的器件探测率相比（比如：P3HT:PCBM:CdTequantumdots探测率高达5.0×1012cmHz1/2W-1，AlGaN探测率高达6.10×1013cmHz1/2W-1，PDDTT:PC60BM探测率高达1.0×1013cmHz1/2W-1，ZnOnanobridge探测率高达6.25×1011cmHz1/2W-1）而本发明器件的探测率高达6.12×1013cmHz1/2W-1，比之前列出材料组成的器件还要高，使得本发明的探测器具有优良的性能。
本发明具有工艺简单，低成本，底偏压，高响应度，高探测率和可制成柔性器件等优点；在环境保护、紫外通信、天文学观测、生物医学研究和医疗卫生等领域具有重要的应有前景。
附图说明
图1是实施例1探测器结构示意图。
图2是实施例1探测器ZnO纳米晶的XRD图。
图3是实施例1探测器PVK的紫外-可见吸收谱。
图4是实施例1探测器ZnO纳米晶的紫外-可见吸收谱。
图5是实施例1探测器无光照和紫外光照射条件下的I-V曲线图。
图6是实施例1探测器的探测率图。
其中，玻璃层1、ITO负极电极层2、PEDOT:PSS薄膜层3、PVK薄膜层4、ZnO(NCs)薄膜层5，以及Al正极电极层6。
具体实施方式
实施例1：ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，自上而下依次是玻璃层1、ITO负极电极层2、PEDOT:PSS薄膜层3、PVK薄膜层4、ZnO(NCs)薄膜层5，以及Al正极电极层6。
该紫外光伏探测器，具体制备步骤如下：
（1）ITO玻璃依次用丙酮、无水醇、去离子水超声清洗10分钟，然后烘干，其后用去离子水、双氧水和氨水按3:1:1配比湿法清洗，在100℃水浴1h后取出，用去离子水冲洗后电吹风吹干，彻底清涂衬底表面吸附的灰尘、有机物等杂质。
（2）用旋涂的方法制备厚度20~40nmPEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)薄膜层，100℃烘烤30分钟后取出。
（3）将浓度为10～15mg/mL的PVK氯仿溶液以1000～2000rpm的转速旋涂在已经制备好的PEDOT:PSS膜上，然后将其放入真空烘箱，在90～110℃下烘干30～50分钟，从而得到厚度为800～100nm的PVK薄膜层。
（4）分散在氯仿中的ZnO(NCs)澄清的溶液以1000rpm的转速重复旋涂在已制备好的PVK有源层薄膜上，然后将其放入真空烘箱，在80～100℃下烘干15～30分钟，这样重复3次，从而得到厚度为100～200nm的ZnO(NCs)薄膜层。
（5）最后，用真空蒸镀的方法制备80~100nm的铝电极层。
其中，ZnO(NCs)是将29.5g二水合醋酸锌溶于125mL无水甲醇中，加热至60℃；然后在剧烈搅拌下逐滴加入64mL氢氧化钾(85％,14.8g)的甲醇溶液，反应约1.5小时后，溶液逐渐变浑浊，继续反应30分钟后，结束反应；将反应产物转移至锥形瓶中，静置，使纳米颗粒自然沉降至瓶底，去除上清液，然后加入新鲜的甲醇，搅拌数分钟，再次静置，重复以上操作3遍，经过洗涤后获得。经本发明的工艺制备得的紫外光伏探测器，在无光照条件下，器件在-2V偏压下的电流密度为0.034mA/cm2,而在强度为1.20mW/cm2的波长为365nm的紫外光照射下,器件在-2V偏压下的电流密度为42.39mA/cm2。由此计算得器件在-2V偏压下的光暗电流比为1246，如图4所示。在强度为1.20mW/cm2的波长为365nm的紫外光照射下,器件在2V偏压下计算出探测率高达6.12×1013cmHz1/2W-1，如图6所示。
实施例2：ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，结构如实施例1，具体制备步骤如下：
（1）ITO玻璃依次用丙酮、无水醇、去离子水超声清洗10分钟，然后烘干，其后用去离子水、双氧水和氨水按3:1:1配比湿法清洗，在100℃水浴1h后取出，用去离子水冲洗后电吹风吹干，彻底清涂衬底表面吸附的灰尘、有机物等杂质。
（2）用旋涂的方法制备厚度35nmPEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)薄膜层，100℃烘烤30分钟后取出。
（3）将浓度为10mg/mL的PVK氯仿溶液以2000rpm的转速旋涂在已经制备好的PEDOT:PSS膜上，然后将其放入真空烘箱，在100℃下烘干40分钟，从而得到厚度为800～100nm的PVK薄膜层。
（4）分散在氯仿中的ZnO(NCs)澄清的溶液以1000rpm的转速重复旋涂在已制备好的PVK有源层薄膜上，然后将其放入真空烘箱，在100℃下烘干40分钟，这样重复3次，从而得到厚度为200nm的ZnO(NCs)薄膜层。
（5）最后，用真空蒸镀的方法制备100nm的铝电极层。

Claims (9)

1.ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于该探测器为多层结构，自上而下依次是玻璃层(1)、ITO负极电极层(2)、PEDOT:PSS薄膜层(3)、PVK薄膜层(4)、ZnO(NCs)薄膜层(5)，以及Al正极电极层(6)。
2.如权利要求1所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于PEDOT:PSS薄膜层的厚度为20~60nm，PVK薄膜层的厚度为40~80nm，ZnO(NCs)薄膜层的厚度为100~200nm，Al电极的厚度为60~100nm。
3.所述的PEDOT:PSS薄膜层、PVK薄膜层、ZnO(NCs)薄膜层采用旋涂的方式形成，AL电极层采用真空蒸镀方式。
4.如权利要求1所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于所述的PVK薄膜层和ZnO(NCs)薄膜层是将PVK和ZnO(NCs)分别溶入氯仿溶液中经旋涂制成的，其PVK溶液的浓度为10~15mg/ml，ZnO(NCs)为80~100mg/ml。
5.如权利要求1所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于通过以下的具体步骤制备而得：
（1）ITO玻璃依次用丙酮、无水醇、去离子水超声清洗10分钟，然后烘干，其后用去离子水、双氧水和氨水按3:1:1配比湿法清洗，在100℃水浴1h后取出，用去离子水冲洗后电吹风吹干，彻底清涂衬底表面吸附的灰尘、有机物等杂质；
（2）用旋涂的方法制备厚度20~40nmPEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)薄膜层，100℃烘烤30分钟后取出；
（3）将浓度为10～15mg/mL的PVK氯仿溶液以1000～2000rpm的转速旋涂在已经制备好的PEDOT:PSS膜上，然后将其放入真空烘箱，在90～110℃下烘干30～50分钟，从而得到厚度为800～100nm的PVK薄膜层；
（4）分散在氯仿中的ZnO(NCs)澄清的溶液以1000rpm的转速重复旋涂在已制备好的PVK有源层薄膜上，然后将其放入真空烘箱，在80～100℃下烘干15～30分钟，这样重复3次，从而得到厚度为100～200nm的ZnO(NCs)薄膜层；
（5）最后，用真空蒸镀的方法制备80~100nm的铝电极层；
如权利要求4所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于ITO玻璃依次用丙酮、无水醇、去离子水超声清洗10分钟，然后烘干，其后用去离子水、双氧水和氨水按3:1:1配比湿法清洗，在100℃水浴1h后取出，用去离子水冲洗后电吹风吹干，彻底清涂衬底表面吸附的灰尘、有机物等杂质。
6.如权利要求4所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于用旋涂的方法制备厚度35nmPEDOT:PSS(聚苯胺衍生物)薄膜层，100℃烘烤30分钟后取出。
7.如权利要求4所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于将浓度为10mg/mL的PVK氯仿溶液以2000rpm的转速旋涂在已经制备好的PEDOT:PSS膜上，然后将其放入真空烘箱，在100℃下烘干40分钟，从而得到厚度为800～100nm的PVK薄膜层。
8.如权利要求4所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于分散在氯仿中的ZnO(NCs)澄清的溶液以1000rpm的转速重复旋涂在已制备好的PVK有源层薄膜上，然后将其放入真空烘箱，在100℃下烘干40分钟，这样重复3次，从而得到厚度为200nm的ZnO(NCs)薄膜层。
9.如权利要求4所述的ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器，其特征在于真空蒸镀的方法制备100nm的铝电极层。
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