CN108520919A - 一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电材料领域，公开了一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器及其制备方法。所述光电探测器由依次层叠的衬底、阳极、空穴传输层、钙钛矿层、近红外吸收层和阴极组成，所述钙钛矿层的制备材料为具备可见光响应的钙钛矿，所述近红外吸收层的制备材料为具有近红外响应的有机聚合物材料。本发明使用了叠层的方法，利用有机近红外聚合物探测材料，提高了铅钙钛矿光电探测器件在近红外光范围内外量子效率。这样就实现了具有高外量子效率和宽光谱响应的有机/无机杂化钙钛矿光电探测器。

Description

一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电材料领域，具体涉及一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器及其制备方法。
背景技术
在各种光电材料中，钙钛矿材料由于具有高的光吸收系数、低的激子束缚能、长的载流子扩散距离等优点受到研究人员极大的关注，在短短八年时间钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从3.8％提高到22.1％。最近，研究人员开始把钙钛矿应用于光电探测器中，杨阳等人首先将钙钛矿作为光敏层制备出探测率达到1014Jones的探测器(Dou,L.；Yang,Y.M.；Dou,J.；Hong,Z.；Chang,W.-H.；Li,G.；Yang,Y.,Nat.Commun.2014,5,5404-5409)。之后，Paul等人通过优化传输层的厚度实现了低暗电流、高探测率的钙钛矿光电探测器(Lin,Q.；Armin,A.；M.Lyons,D.；L.Burn,P.；Meredith,P.,Adv.Mater.2015,27,2060-2064)。虽然把钙钛矿应用于光电探测器中取得了一定的效果，但这些钙钛矿光电探测器最高响应波长只能达到800nm。需要进一步拓展器件的光谱响应范围，以满足更多实际应用的需求。
与传统的无机光电探测器相比，有机聚合物光电探测器由于具有柔性、廉价和易于集成等诸多优点，将在消费类电子产品、家用器具、智能建筑照明、工业、生产安全、卫生保健和生命科学、环境、玩具和教育领域有着广泛的应用。因此，有机聚合物光电探测器件得到了很好的发展。以聚合物聚噻吩-吡咯并吡咯二酮(PDPP3T)为光敏层的聚合物光电探测器光谱响应可以达到1000nm，但可见光部分的外量子效率较低，通常在50％左右。
外量子效率和光谱响应范围是光电探测器的两个重要参数。通常一个好的光电探测器应该具有高的外量子效率和较宽的光谱响应范围。而目前钙钛矿光电探测器能实现较高的外量子效率，但是不能实现较宽的光谱响应。其原因在于钙钛矿的禁带宽度大约为1.55eV。而基于PDPP3T:PC71BM的聚合物光电探测器能实现较宽的光谱探测(近红外响应可以到1000nm)，但其可见光区的外量子效率低于钙钛矿探测器的外量子效率。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器。
本发明的另一目的在于提供上述有机/无机杂化钙钛矿光电探测器的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，由依次层叠的衬底、阳极、空穴传输层、钙钛矿层、近红外吸收层和阴极组成，所述钙钛矿层的制备材料为具备可见光响应的钙钛矿，所述近红外吸收层的制备材料为具有近红外响应的有机聚合物材料。
优选地，所述钙钛矿层的制备材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3，所述近红外吸收层的制备材料为PDPP3T:PC71BM。优选PDPP3T与PC71BM的质量比为1:2。
PDPP3T:PC71BM由两种物质构成，PDPP3T是聚噻吩-吡咯并吡咯二酮，PC71BM是[6,6]苯基C71丁酸甲酯，其结构式分别如下式所示：
优选地，所述衬底为硬质衬底如玻璃衬底，或柔性衬底如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底。
优选地，所述阳极材料为氧化铟锡(ITO)或氟化铟锡(FTO)。
优选地，所述空穴传输层材料为高分子导电聚合物如PEDOT:PSS或小分子空穴导电材料如三氧化钼(MoO3)。
PEDOT:PSS由两种物质构成，PEDOT是(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐，其结构式分别如下式所示：
优选地，所述阴极为铝(Al)或钙(Ca)等金属材料。
优选地，所述近红外吸收层与阴极之间还加入修饰层，所述修饰层材料优选为氟化锂(LiF)。
上述有机/无机杂化钙钛矿光电探测器的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)将含有阳极的衬底依次经清洗、干燥后利用紫外臭氧处理改善阳极表面；
紫外臭氧处理不仅可以改善阳极表面的浸润性，分解阳极表面的残留物，而且可以提高阳极表面的功函数，有利于空穴的提取。
(2)在阳极表面旋涂空穴传输层材料，然后退火处理；
(3)将空穴传输层上旋涂碘化铅溶液，加热除去溶剂后，向碘化铅薄膜上旋涂碘甲胺溶液，退火处理后得到钙钛矿层；
(4)将近红外吸收层材料溶解于溶剂中，然后旋涂于钙钛矿层表面，加热除去溶剂，得到近红外吸收层；
(5)在近红外吸收层上蒸镀阴极，得到所述有机/无机杂化钙钛矿光电探测器。
优选地，步骤(3)中所述碘化铅溶液所用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述碘甲胺溶液所用溶剂为异丙醇(IPA)。
优选地，步骤(4)中所述近红外吸收层材料为PDPP3T:PC71BM，所述的溶剂为氯苯。
本发明的原理为：从器件结构上看似乎是钙钛矿与聚合物材料的简单叠加，但是本质上钙钛矿和聚合物材料层是存在相互作用的。在载流子提取过程中，由于钙钛矿层具有双极传输的性质，被聚合物材料层吸收的光子产生的载流子可以无障碍地被两极收集，所以钙钛矿与聚合物材料叠加后并不改变近红外部分的载流子提取，显示出的结果就是近红外部分外量子效率与单独的聚合物光电探测器相比基本不变；而钙钛矿部分吸收可见光后产生的载流子中空穴可以被阳极无障碍地收集，电子在经过聚合物材料层到达阴极的过程中会遇到电子传输能力较差的PDPP3T，这会对电子的传输收集产生不利影响，显示出的结果就是可见光部分外量子效率与单独的钙钛矿探测器相比有所下降，但是与纯有机聚合物探测器在可见光部分相比具有更高的外量子效率。所以本发明不是单纯地把钙钛矿与聚合物材料的简单叠加，而是以牺牲部分可见光区的外量子效率来实现宽光谱响应的钙钛矿光电探测器的目的。
本发明的钙钛矿光电探测器具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的最大特点是同时采用了在可见光区具有较高响应的钙钛矿和具有近红外响应的有机聚合物材料PDPP3T:PC71BM，在提高聚合物光电探测器件可见光部分外量子效率的同时，还可以维持聚合物光电探测器的光谱响应达到1000nm的优点，同时实现了较高的外量子效率和较宽的光谱响应。
(2)本发明的有机/无机杂化钙钛矿光电探测器在可见光部分的外量子效率峰值可以达到80％以上，远大于聚合物光电探测器峰值外量子效率只能达到60％的限制。
附图说明
图1为对比例1所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图。
图2为对比例2所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图。
图3和图4分别为对比例2所得钙钛矿光电探测器的响应度结果图和归一化探测率结果图。
图5为实施例所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图。
图6和图7分别为实施例所得钙钛矿光电探测器的响应度结果图和归一化探测率结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
对比例1
(1)将ITO基底依次置于洗液、丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗，再利用普通氮气吹干，把片子放在120℃的烘箱中干燥处理20分钟，最后利用紫外臭氧处理ITO表面。
(2)处理后的ITO置于旋涂仪中，滴加PEDOT:PSS，以3000rpm/min旋涂60s，120℃热退火20分钟，置于热台120℃烘干。
(3)将旋涂有PEDOT:PSS的基底转移至手套箱中，称量666mg碘化铅溶于1ml N,N-二甲基甲酰胺中，65℃溶解3小时。将溶解好的碘化铅溶液以3000rpm/min旋涂于基底上，基底70℃退火10min除去溶剂，向碘化铅薄膜上旋涂碘甲胺的IPA溶液，100℃退火55min。
(4)称量10mg PC71BM溶解于1ml氯苯中，将溶解好的PC71BM溶液旋涂于钙钛矿表面，待溶剂蒸发后，将基底转入器件蒸发室中蒸镀Al电极。最终制备出的器件1结构为：ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al。
本对比例所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图如图1所示。可见器件在-1V偏压下的最大的外量子率超过80％，器件的响应范围包括整个可见光范围。所得器件具有高的外量子效率。
对比例2
(1)将ITO基底依次置于洗液、丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗，再利用普通氮气吹干，把片子放在120℃的烘箱中干燥处理20分钟，最后利用紫外臭氧处理ITO表面。
(2)处理后的ITO置于旋涂仪中，滴加PEDOT:PSS，以3000rpm/min旋涂60s，120℃热退火20分钟，置于热台120℃烘干。
(3)将旋涂有PEDOT:PSS的基底转移至手套箱中，称量5mg PDPP3T与10mg PC71BM置于1ml氯苯，过夜加热后，向其中加入1,8-二碘辛烷(1,8-diiodooctane)改善载流子的传输性能，溶液旋涂到基底后，将基底转移至蒸发室中，蒸镀Al电极。最终制备出的器件2结构为：ITO/PEDOT:PSS/PDPP3T:PC71BM/Al。
本实施例所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图如图2所示。可见器件显示了较宽的光谱响应，明显看到在可见光部分器件的外量子效率有个明显的凹陷，这部分的外量子效率不足40％，器件的光谱响应范围可以从390到1000nm，比对比例1中常见的钙钛矿光电探测器的光谱响应范围红移200nm。图3和图4分别给出了该器件的响应度和归一化探测率，最大光谱响应可达0.35A/W，归一化探测率达到1.4×1012Jones。与对比例1中探测器不同之处在于，此器件具有宽的光谱响应范围。
实施例
(1)将ITO基底依次置于洗液、丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗，再利用普通氮气吹干，把片子放在120℃的烘箱中干燥处理20分钟，最后利用紫外臭氧处理ITO表面。
(2)处理后的ITO置于旋涂仪中，滴加PEDOT:PSS，以3000rpm/min旋涂60s，120℃热退火20分钟，置于热台120℃烘干。
(3)将旋涂有PEDOT:PSS的基底转移至手套箱中，称量666mg碘化铅溶于1ml N,N-二甲基甲酰胺中，65℃溶解3小时，将溶解好的碘化铅溶液以3000rpm/min旋涂于基底上，基底70℃退火10min除去溶剂。向碘化铅薄膜上旋涂碘甲胺的IPA溶液，100℃退火55min。
(4)称量5mg PDPP3T与10mg PC71BM置于1ml氯苯，过夜加热后，向其中加入1,8-二碘辛烷(1,8-diiodooctane)改善载流子的传输性能，溶液旋涂到基底后，将基底转移至蒸发室中，蒸镀Al电极。最终制备出的器件3结构为：ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PDPP3T:PC71BM/Al。
本实施例所得钙钛矿光电探测器在-1V偏压下的外量子效率曲线图如图5所示。可见其最大外量子率达到75％，器响应范围包括可见光与外近红区(1000nm)。图6和图7分别给出了该器件的响应度和归一化探测率，该器件的最大光谱响应可达0.35A/W，归一化探测率达到4.5×1012Jones。本实施例中器件的最大特点是同时具有钙钛矿探测器与聚合物探测器的优点，即同时具有高的外量子效率和宽的光谱响应。
本实施例与对比例1的区别为将PC71BM替换为PDPP3T:PC71BM，并加入了1,8-二碘辛烷。1,8-二碘辛烷加入聚合物材料层的目的是用来改善载流子的传输性能，这种材料本身不具有光电性质，近红外光部分能够产生外量子效率完全是PDPP3T的作用。与对比例1相比，本实施例具有更宽的光谱响应根本原因在于PDPP3T的加入。与对比例2相比，本实施例是在有机聚合物材料层前增加了钙钛矿层，才会显示出在可见光部分更高的外量子效率。综合对比例1和对比例2，本实施例显示出的同时具有高的外量子效率和宽的光谱响应是钙钛矿和有机聚合物材料的结合所达到的效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：由依次层叠的衬底、阳极、空穴传输层、钙钛矿层、近红外吸收层和阴极组成，所述钙钛矿层的制备材料为具备可见光响应的钙钛矿，所述近红外吸收层的制备材料为具有近红外响应的有机聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述钙钛矿层的制备材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3，所述近红外吸收层的制备材料为PDPP3T:PC71BM。
3.根据权利要求2所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述PDPP3T:PC71BM的质量比为1:2。
4.根据权利要求1或2所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述衬底为玻璃衬底或PET柔性衬底；所述阳极材料为ITO或FTO。
5.根据权利要求1或2所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述空穴传输层材料为PEDOT:PSS或MoO3。
6.根据权利要求1或2所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述阴极为Al或Ca。
7.根据权利要求1或2所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述近红外吸收层与阴极之间还加入修饰层，所述修饰层材料为LiF。
8.权利要求2～7任一项所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)将含有阳极的衬底依次经清洗、干燥后利用紫外臭氧处理改善阳极表面；
(2)在阳极表面旋涂空穴传输层材料，然后退火处理；
(3)将空穴传输层上旋涂碘化铅溶液，加热除去溶剂后，向碘化铅薄膜上旋涂碘甲胺溶液，退火处理后得到钙钛矿层；
(4)将近红外吸收层材料溶解于溶剂中，然后旋涂于钙钛矿层表面，加热除去溶剂，得到近红外吸收层；
(5)在近红外吸收层上蒸镀阴极，得到所述有机/无机杂化钙钛矿光电探测器。
9.根据权利要求8所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述碘化铅溶液所用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述碘甲胺溶液所用溶剂为IPA。
10.根据权利要求8所述的一种有机/无机杂化钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述近红外吸收层材料为PDPP3T:PC71BM，所述的溶剂为氯苯。
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