CN105576129A - 基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管及其制作方法 - Google Patents

基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管及其制作方法。主要解决现有硅材料光电二极管、光电三极管在探测可见光时容易受到红外波段光线干扰的缺点。本发明的晶体管结构包括衬底1、空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5，顶电极6、底电极7。空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5依次从衬底开始向上逐层沉积，形成多层结构的光电晶体管；所述的光吸收层3采用CH3NH3PbI3材料。本发明的晶体管使用旋涂工艺沉积1、空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5，具有制作成本低廉、制作工艺简单，抗红外波段光线干扰、光探测灵敏度高的优点。

Description

基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管及其制作方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子器件技术领域中的一种基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管及其制作方法。本发明作为光电传感器件，用于可见光波段的光强度测量和光脉冲测量。
背景技术
随着电子技术的蓬勃发展，市场对光电传感器件的需求与日俱增，并对器件性能不断提出更高更细致的要求。近年来，随着可见光无线通信技术的崛起，市场对可见光波段的光电传感器提出了新的要求。
基于传统硅基材料的光电二极管、光电三极管的可见光波段探测器由于材料的带隙较窄，波长响应会延续到红外波段，容易受到红外光波段的干扰。此外硅光传感器使用时需要较高的偏置电压，功耗相对较高；硅光传感器制作时需要使用复杂的高温扩散等工艺，制作成本高。
常州大学申请的专利“一种钙钛矿结构太阳能电池及其制备方法”(申请号：201310650505.8，公开号：103700768A)中公开了一种钙钛矿结构的太阳能电池及其制备方法。该方法首先在FTO导电玻璃上沉积一层氧化钛或氧化锌n型致密层，然后再沉积氧化铝阻挡层，接着制备一层杂化钙钛矿结构CH3NH3PbI3，继续沉积氧化铝绝缘层，再然后沉积有机P型层，最后沉积金属电极层。该方法存在的不足之处是，CH3NH3PbI3材料的应用局限于太阳能电池领域，而无法使用在光电探测器件的应用和优化领域。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中传统硅基材料的光电二极管、光电三极管光电探测器容易受到红外波段干扰的不足，充分利用CH3NH3PbI3材料在可见光波段吸收系数高、对红外光谱响应低的优点，提供一种制备成本低廉、制备工艺简单的有电晶体管，以满足可见光探测的要求。
本发明的具体思路是：有机钙钛矿材料CH3NH3PbI3在太阳能电池领域具有广泛而深入的研究，但将此种材料用于光探测器还少有先例。有机钙钛矿材料CH3NH3PbI3对于可见光波段具有很高吸收系数，而在红外波段吸收系数较低，即材料对于光的吸收具有波长选择性，故采用此种材料制作的光电晶体管可以有效减弱红外光波段的干扰。基于此原理，本发明使用CH3NH3PbI3材料作为有电晶体管的光吸收层。
本发明的基于CH3NH3PbI3材料的有电晶体管，包括：衬底、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴传输层，顶电极、底电极。空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴传输层依次从衬底开始向上逐层沉积，形成多层结构的光电晶体管。光吸收层采用CH3NH3PbI3材料。
本发明的基于CH3NH3PbI3材料的有电晶体管的制作方法，包括如下步骤：
(1)清洗衬底：
利用UV-OzoneOven设备，对衬底(1)清洗15分钟，得到已清洗的衬底；
(2)沉积薄膜：
将PEPOT:PSS溶液滴加到已清洗的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在140摄氏度的环境中烘烤干燥15分钟，在已清洗的衬底上形成空穴传输层(2)，得到沉积过PEPOT:PSS层的衬底；
(3)沉积薄膜：
(3a)将645mg的PI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PI2和CH3NH2I的混合溶液；将PI2和CH3NH3I的混合溶液在80摄氏度下搅拌2小时，得到搅拌后的溶液；将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
(3b)将CH3NH3PbI3溶液滴加到沉积过PEPOT:PSS层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，在沉积过PEPOT:PSS层的衬底上形成光吸收层(3)，得到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底；
(4)沉积薄膜：
以PCBM作为溶质，以氯苯作为溶剂，配制浓度为20mg/ml的PCBM溶液；使用0.45微米孔径的滤膜过滤PCBM溶液，将经过过滤的PCBM溶液滴加到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火5分钟，在沉积过CH3NH3PbI3层的衬底上形成电子传输层(4)，得到沉积过PCBM层的衬底；
(5)沉积薄膜：
将Spiro-OMeTAD溶液滴加到沉积过PCBM层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在沉积过PCBM层的衬底上形成空穴传输层(5)，得到沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底；
(6)剥离薄膜：
剥离沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底一侧上的空穴传输层(2)、光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴传输层(5)，露出衬底(1)，得到剥离过的衬底；
(7)沉积电极：
采用蒸发镀膜工艺，在剥离过的衬底上的空穴传输层(5)上沉积类矩形的顶电极(6)，在剥离过的衬底上的衬底(1)上沉积长方形底电极(7)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，由于本发明的晶体管采用CH3NH3PbI3材料作为光吸收层，克服了现有技术中硅材料光电晶体管容易受到红外波段光线干扰的缺点，使得本发明的晶体管具有抗红外波段光线干扰的优点。
第二，由于本发明的晶体管采用由空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴传输层组成的多层结构，具有一定的电流增益，克服了现有技术中采用CH3NH3PbI3材料的太阳能电池没有电流增益的缺点，使得本发明具有光探测灵敏度高的优点。
第三，由于本发明的晶体管的制作方法采用旋涂工艺，克服了现有技术中硅材料的光电晶体管制作中需要使用复杂的高温扩散工艺的缺点，使得本发明的晶体管的制作具有成本低廉、工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明晶体管的剖面图；
图2为本发明晶体管的俯视图；
图3为本发明晶体管制作方法的流程图；
图4为本发明晶体管效果的测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参照图1，本发明的晶体管包括：衬底1、空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5，顶电极6、底电极7。衬底1、空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5，顶电极6、底电极7的材料按顺序依次由下至上竖直分布，形成多层结构，构成光电晶体管。衬底1采用已沉积ITO材料的导电玻璃；空穴传输层2采用PEDOT:PSS材料；光吸收层3采用CH3NH3PbI3材料；电子传输层4采用PCBM材料；空穴传输层5采用Spiro-OMeTAD材料；顶电极6、底电极7采用银材料。
参照图2，本发明晶体管的空穴传输层5上包含4个等间距排列的类矩形的顶电极6，衬底1上包含1个长方形底电极7。
下面结合图3对本发明制作基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管的方法步骤做进一步的描述。
步骤1：清洗衬底。
利用UV-OzoneOven设备，对衬底1清洗15分钟，得到已清洗的衬底。
步骤2：沉积薄膜。
将PEPOT:PSS溶液滴加到已清洗的衬底，使已清洗的衬底被溶液完全覆盖，用匀胶机以7000rpm的速度旋涂40秒，在140摄氏度的环境中烘烤干燥15分钟，在已清洗的衬底上形成空穴传输层2，得到沉积过PEPOT:PSS层的衬底。
步骤3：沉积薄膜。
将645mg的PI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PI2和CH3NH2I的混合溶液。将PI2和CH3NH2I的混合溶液在80摄氏度下搅拌2小时，得到搅拌后的溶液。将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液。
将CH3NH3PbI3溶液滴加到沉积过PEPOT:PSS层的衬底，使沉积过PEPOT:PSS层的衬底被溶液完全覆盖，用匀胶机以1000rpm的速度旋涂15秒，以5000rpm的速度旋涂25秒，在旋涂结束前3秒时滴加350微升的甲苯，得到旋涂过CH3NH3PbI3的衬底。
将旋涂过CH3NH3PbI3的衬底在100摄氏度下退火20分钟，在沉积过PEPOT:PSS层的衬底上形成光吸收层3，得到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底。
步骤4：沉积薄膜。
以PCBM作为溶质，以氯苯作为溶剂，配制浓度为20mg/ml的PCBM溶液；使用0.45微米孔径的滤膜过滤PCBM溶液，将经过过滤的PCBM溶液滴加到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底，使沉积过CH3NH3PbI3层的衬底被溶液完全覆盖，用匀胶机以2000rpm的速度旋涂40秒，在100摄氏度下退火5分钟，在沉积过CH3NH3PbI3层的衬底上形成电子传输层4，得到沉积过PCBM层的衬底。
步骤5：沉积薄膜。
将Spiro-OMeTAD溶液滴加到沉积过PCBM层的衬底，使沉积过PCBM层的衬底被溶液完全覆盖，用匀胶机以4000rpm的速度旋涂45秒，在沉积过PCBM层的衬底上形成空穴传输层5，得到沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底。
步骤6：剥离薄膜。
使用清洁的刀片手工剥离沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底一侧上的空穴传输层2、光吸收层3、电子传输层4、空穴传输层5，露出衬底1，得到剥离过的衬底。
步骤7：沉积电极。
将蒸发镀膜设备抽真空到5×10-4Pa，采用蒸发镀膜工艺，以0.10nm/s～0.13nm/s的速度在剥离过的衬底上的空穴传输层5上沉积4个厚度为100nm面积为12.5mm2的特定形状的顶电极6，在剥离过的衬底上的衬底1上沉积1个厚度为100nm的特定形状的底电极7。顶电极6、底电极7的形状如图2。
下面结合图4对本发明的效果做如下描述。
参照图4，在室温下使用keithley公司2400型数字源表在三种不同强度的光照下，对本发明晶体管的顶电极6和底电极7施加从-1.3V到1.3V的电压，测量不同电压下晶体管通过的电流，并换算成电流密度，得到电流密度与电压的关系曲线。图4中的曲线2为100mW/cm2的白光光照下电流密度与电压的关系曲线；图4中的曲线1为100mW/cm2的白光经过光强衰减片后的电流密度与电压的关系曲线；图4中的曲线3为无光照时电流密度与电压的关系曲线。参照图4，本发明晶体管的顶电极6和底电极7施加负电压时，三条曲线对应的电流密度随着电压的绝对值的增加而增加，当电压达到-1V后，电流保持不变，晶体管进入饱和状态。本发明晶体管的顶电极6和底电极7施加负电压时，同一电压下，光照越强电流密度越大，体现出本发明的晶体管光探测灵敏度高的特点。

Claims (8)

1.一种基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管，包括：衬底(1)、空穴传输层(2)、光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴传输层(5)，顶电极(6)、底电极(7)；其特征在于：所述的空穴传输层(2)、光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴传输层(5)依次从衬底(1)向上逐层沉积，形成多层结构的光电晶体管；所述的光吸收层(3)采用CH3NH3PbI3材料。
2.根据权利要求1所述的基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)采用已沉积ITO材料的导电玻璃；所述的空穴传输层(2)采用PEDOT:PSS材料；所述的电子传输层(4)采用PCBM材料；所述的空穴传输层(5)采用Spiro-OMeTAD材料；所述的顶电极(6)、底电极(7)采用银材料。
3.基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，包括如下步骤：
(1)清洗衬底：
利用UV-OzoneOven设备，对衬底(1)清洗15分钟，得到已清洗的衬底；
(2)沉积薄膜：
将PEPOT:PSS溶液滴加到已清洗的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在140摄氏度的环境中烘烤干燥15分钟，在已清洗的衬底上形成空穴传输层(2)，得到沉积过PEPOT:PSS层的衬底；
(3)沉积薄膜：
(3a)将645mg的PI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PI2和CH3NH2I的混合溶液；将PI2和CH3NH3I的混合溶液在80摄氏度下搅拌2小时，得到搅拌后的溶液；将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
(3b)将CH3NH3PbI3溶液滴加到沉积过PEPOT:PSS层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，在沉积过PEPOT:PSS层的衬底上形成光吸收层(3)，得到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底；
(4)沉积薄膜：
以PCBM作为溶质，以氯苯作为溶剂，配制浓度为20mg/ml的PCBM溶液；使用0.45微米孔径的滤膜过滤PCBM溶液，将经过过滤的PCBM溶液滴加到沉积过CH3NH3PbI3层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火5分钟，在沉积过CH3NH3PbI3层的衬底上形成电子传输层(4)，得到沉积过PCBM层的衬底；
(5)沉积薄膜：
将Spiro-OMeTAD溶液滴加到沉积过PCBM层的衬底，用匀胶机旋涂均匀，在沉积过PCBM层的衬底上形成空穴传输层(5)，得到沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底；
(6)剥离薄膜：
剥离沉积过Spiro-OMeTAD层的衬底一侧上的空穴传输层(2)、光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴传输层(5)，露出衬底(1)，得到剥离过的衬底；
(7)沉积电极：
采用蒸发镀膜工艺，在剥离过的衬底上的空穴传输层(5)上沉积类矩形的顶电极(6)，在剥离过的衬底上的衬底(1)上沉积长方形底电极(7)。
4.根据权利要求3所述基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(2)中所述的旋涂是以7000rpm的速度持续40秒。
5.根据权利要求3所述基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的旋涂方法如下：
第1步，以1000rpm的速度旋涂15秒；
第2步，以5000rpm的速度旋涂25秒，在旋涂结束前3秒时滴加350微升的甲苯。
6.根据权利要求3所述基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(4)中所述的旋涂是以2000rpm的速度持续40秒。
7.根据权利要求3所述基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(5)中所述的旋涂是以4000rpm的速度持续45秒。
8.根据权利要求3所述基于CH3NH3PbI3材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(7)中所述制作的顶电极(6)和底电极(7)的厚度为100nm，材料为银；顶电极(6)的面积为12.5mm2。
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