CN105355793B - 一种近红外可见光的opv碘掺杂的光伏型的有机探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子技术领域，尤其是光导型有机半导体探测器。本发明公开了一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，在衬底上设置各功能层构成，包括衬底（1），金属或透明导电极（3）、空穴传输层（4）以及有机光敏层（2）等，其特征在于所说的光敏层（2）材料是进行碘的受主掺杂之后对近红外有光电响应的太阳能电池的OPV材料。这种光敏材料是一种典型的太阳能电池常用的OPV材料，为实现对近红外波段的响应，进行了有效的碘的受主掺杂。本发明具有易于实现大面积、大阵列，光敏层材料电阻可控，无需制冷，可实现柔性加工等优势特点，在军事、民用以及一些特定领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其是光导型有机半导体探测器。
背景技术
有机红外探测器是在近些年才开展起研究的，自从1999年意大利米兰理工大学合成出的一种新的有机材料—金属-双硫醇烯类络合物，并在2004年报道了该类材料在600~900纳米处的光电响应性能后，有机红外材料的研究也越来越多，但是一般的有机/聚合物材料在大于1微米的波长范围的红外区域没有光活性。至今，很多的有机半导体材料的研究还是主要集中在发光材料和太阳能电池方面的研究，极少有涉及红外半导体材料和器件的研究，目前的有机红外半导体材料的种类并不是很多，用来作为红外探测器的光敏层的更是甚微。这些很多都是由于有机半导体材料的一些性能决定的，如载流子的迁移率低、光敏层的电阻率很大等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的光伏型的有机红外半导体的探测器，具有易于实现大面积、大阵列，光敏层材料电阻可控，无需制冷，可实现柔性加工等优势特点，在军事、民用以及一些特定领域具有重要应用价值。
本发明的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，在衬底上设置各功能层构成，包括衬底（1），金属或透明导电极（3）、空穴传输层（4）以及有机光敏层（2）等，其特征在于所说的光敏层（2）材料是进行碘的受主掺杂之后对近红外有光电响应的太阳能电池的OPV材料。这种光敏材料是一种典型的太阳能电池常用的OPV材料，为实现对近红外波段的响应，进行了有效的碘的受主掺杂。
所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说的光敏层（2）的太阳能电池的OPV材料是P3HT和PCBM两者按照质量比1：08~1：1的混合，所说的太阳能电池的OPV材料进行碘的受主掺杂，其中碘的质量和OPV材料的质量比大于等于0且小于等于1/10。
所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说的空穴传输层是设置在透明电极（3）之上的，其中空穴传输层（4）是由PEDOT:PSS溶液旋涂形成的单层薄膜。
所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说金属或透明导电极（3）包括Al电极及ITO透明电极。
所述有机探测器中光敏层（2）OPV材料进行碘的受主掺杂的方法，其特征在于碘直接掺入光敏层（2）OPV材料中，再将混有碘的光敏层（2）OPV材料旋涂在空穴传输层（4）上。
所述有机探测器中光敏层（2）OPV材料进行碘的受主掺杂的方法，其特征在于旋涂得到均匀的未掺杂的光敏层（2）OPV材料之后，称量一定质量的碘，将该质量的碘放到培养皿中，在温度为150℃的加热板上加热，将未掺杂的具有光敏层的衬底放置正对于培养皿一定距离之上面，在碘蒸汽的挥发下，处理直到碘蒸汽挥发完全。
在本发明中，光敏层采用的是有机太阳能电池中使用的典型的OPV材料P3HT和PCBM的混合物，在碘的受主掺杂之后，增加了光生载流子的数目，降低了电子电离的能量；在本发明中，有机红外半导体探测器其材料的电阻可以通过碘的受主掺杂的技术，实习三个量级以上的调控；本发明的有机光敏层膜的制备是采用了简单的溶液旋涂技术。具体而言，通过选择一定极性和粘度的溶剂溶解P3HT和PCBM 材料，再通过调节一定转速和时间获得光敏层膜。
本发明的优点在于：
1.光敏层材料的电学参数可控，从而通过简单的碘的受主掺杂使器件的电阻在三个数量级内可调，增强了器件性能的调控性及其红外系统的兼容性。
2.本发明的光敏层是太阳能电池选用的典型的OPV材料，只是通过简单的碘的掺杂工艺，改变了这种材料在近红外波段的响应，实现了宽光谱的近红外探测器。
3.本发明制备得到的碘掺杂的探测器件，在近红外波段的响应率比起单纯使用太阳能电池选用的典型的OPV材料没有进行掺杂作为光敏层的探测器，有两个量级以上的调制，使得碘的调制作用十分明显，这是一种有效的掺杂，也是在探测器方面的应用的创新。
4.本发明采用的材料是有机的半导体材料，其可以在多种衬底上制备大面积、低成本的光伏型的近红外探测器，具有工艺简单、性能可控等优点，因此新颖性突出、应用范围广、市场前景可观，特别是在军工方面的应用更是具有巨大的价值。
附图说明
图1为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的掺杂的光敏层所做器件的拟合的I-V曲线图。
图2为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的未掺杂的光敏层所做器件的拟合的I-V曲线图。
图3为掺杂与未掺杂的光敏层的UV-visible图。
图4为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的未掺杂光敏层所做器件的响应率曲线图。
图5为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的掺杂光敏层所做器件的响应率曲线图。
图6为器件结构示意图。
衬底1,光敏层2，金属或透明导电极3，空穴传输层4。
具体实施方式
实施例1，如图1-6所示：
一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，在衬底上设置各功能层构成，包括衬底1，金属或透明导电极3、空穴传输层4以及有机光敏层2等，衬底1，在衬底上用磁控溅射或电子束蒸发制备金属或透明导电极3，在透明导电极上旋涂空穴传输层4，再在空穴传输层上旋涂有机光敏层2，最后在光敏层上使用电子束蒸发制备上金属电极3。
本发明所述的衬底1材料为廉价的玻璃。
具体制备工艺如下：
(1)在玻璃衬底上用磁控溅射沉积约180 nm的ITO膜；
(2)再将该膜使用化学湿洗的方法湿洗之后，吹干，这样主要是为了增加其亲水性，为后面的膜的旋涂的均匀性作准备；
(3)在湿洗后且吹干的具有透明导电极的衬底上，用转速为2000 rpm，时长为60s,旋涂上一层功能层PEDOT:PSS膜作为空穴传输层，之后在温度为80℃的烤箱里面烘烤10分钟，为下一层膜材料的旋涂作准备；
(4)在旋涂有空穴传输层的衬底上，以转速为2000 rpm,时长为30 s下，旋涂混有碘(5%)的光敏层，光敏材料是P3HT和PCBM进行碘的受主掺杂之后对近红外有光电响应的太阳能电池的OPV材料，然后在温度为150℃的炉子中处理15分钟，这主要是为了两个目的，一个是去除水分，另外一个是使两种材料的有序度提高，并对于掺杂的材料来说，也是为了充分地与掺杂的碘形成化学键的结合；
(5)将具有前面都制备均匀的各层的衬底使用电子束蒸发的方法，将金属Al电极蒸发制备之后，这个器件就已制成。
图1为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的掺杂的光敏层所做器件的拟合的I-V曲线图，掺杂之后光电流与暗电流有了显著的开光比。
图2为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的未掺杂的光敏层所做器件的拟合的I-V曲线图。
图3为掺杂与未掺杂的光敏层的UV-visible图，掺杂之后的光敏层在红外波段有了明显的提高。
图4为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的未掺杂光敏层所做器件的响应率曲线图，。
图5为在不同光照强度下同一波长为850纳米的近红外光照射下的掺杂光敏层所做器件的响应率曲线图，与图4相比，响应率有了两个量级的提高。
实施例2：
一种近红外宽光谱的探测器，其制备工艺与实施例1相比，该方法除了碘的掺入方式的改变之外，其他并无变化，如掺杂方式为：
在OPV材料中的碘的掺入，使用的不是直接混合到OPV的光敏材料，而是在旋涂得到均匀的未掺杂的光敏层之后，称量10 mg的碘，将该质量的碘放到培养皿中，在温度为150℃的加热板上加热，将未掺杂的具有光敏层的衬底放置正对于培养皿一定距离之上面，衬底的面积为2.5cm×2.5cm,在碘蒸汽的挥发下，处理直到碘蒸汽挥发完全方可。之后再在温度为150℃的炉子内处理15分钟，之后再用电子束的方法制得金属Al电极，从而近红外探测器制备得到。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想和特点，其目的是使本领域的一般技术人员能够充分地了解发明的内容并据以实施，然而，本发明的范围不局域上述的这些具体实施例，即凡是能够依据本发明所揭示的思想而做的同等的变化和修饰，仍涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，在衬底上设置各功能层构成，包括衬底（1），金属或透明导电极（3）、空穴传输层（4）以及有机光敏层（2），其特征在于所说的光敏层（2）材料是进行碘的受主掺杂之后对近红外有光电响应的太阳能电池的OPV材料。
2.如权利要求1所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说的光敏层（2）的太阳能电池的OPV材料是P3HT和PCBM两者按照质量比1：08~1：1的混合，所说的太阳能电池的OPV材料进行碘的受主掺杂，其中碘的质量和OPV材料的质量比大于等于0且小于等于1/10。
3.如权利要求1所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说的空穴传输层是设置在透明电极（3）之上的，其中空穴传输层（4）是由PEDOT:PSS溶液旋涂形成的单层薄膜。
4.如权利要求1所述的一种近红外可见光的OPV碘掺杂的光伏型的有机探测器，其特征在于所说金属或透明导电极（3）包括Al电极及ITO透明电极。
5.如权利要求1或2所述有机探测器中光敏层（2）OPV材料进行碘的受主掺杂的方法，其特征在于碘直接掺入光敏层（2）OPV材料中，再将混有碘的光敏层（2）OPV材料旋涂在空穴传输层（4）上。
6.如权利要求1或2所述有机探测器中光敏层（2）OPV材料进行碘的受主掺杂的方法，其特征在于旋涂得到均匀的未掺杂的光敏层（2）OPV材料之后，称量一定质量的碘，将该质量的碘放到培养皿中，在温度为150℃的加热板上加热，将未掺杂的具有光敏层的衬底放置正对于培养皿一定距离之上面，在碘蒸汽的挥发下，处理直到碘蒸汽挥发完全。
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