CN109830608B - 一种有机光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种有机光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机光电探测器及其制备方法，包括玻璃基片，玻璃基片表面上镀有ITO电极层，ITO电极层由下而上依次涂覆有阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层及Al电极层；活性层的材料为P3HT、PC61BM、C60及C70的混合物。在活性层采用掺入少量C60和C70两种受体材料作为电子陷阱，在增加陷阱数目的同时减少陷阱材料的聚集，增加空穴的隧穿注入，能提高外量子效率。

Description

一种有机光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测装置技术领域，涉及有机光电探测器及其制备方法。
背景技术
在实际的各种应用中，能够对微弱光信号进行探测和接收的高灵敏光电探测器尤其重要。提高光电探测器灵敏度的方法有两种，其一，提高外量子效率，其二，降低暗电流密度。利用光电倍增效应提高外量子效率，是实现高灵敏光电探测的一条重要途径。在无机半导体内的光电倍增效应是由碰撞电离产生的，使得其光电倍增器件具有很大的噪声，极大地限制了它们在实际中的应用。有机光电探测器具有一些无机光电探测器无可比拟的优点，例如，可在柔性基体上加工、低成本、易加工、宽光谱响应以及小的噪声等。研究具有光电倍增效应的有机光电器件，对制各出高灵敏度、柔性、低价以及宽光谱响应的新一代光电探测器具有指导性的作用。
现有的有机光电探测器的外量子效率低，从而导致光电倍增效应较弱。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机光电探测器及其制备方法，能提高有机光电探测器的外量子效率。
本发明所采用的技术方案是，一种有机光电探测器，包括玻璃基片，玻璃基片表面上镀有ITO(氧化铟锡)电极层，ITO电极层由下而上依次涂覆有阳极缓冲层、活性层、阴极缓冲层及Al电极层；
活性层的材料为P3HT(聚-3己基噻吩)、PC61BM([6,6]-苯基-碳61-丁酸甲酯)、C60(富勒烯C60)及C70(富勒烯C70)的混合物。
本发明的特点还在于，
P3HT为电子给体材料，PC61BM为电子受体材料，C60和C70为陷阱材料，且P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1。
阳极缓冲层的材料为PEDOT(聚3,4-亚乙二氧基噻吩)和PSS(聚苯乙烯磺酸)的混合物。
阴极缓冲层的材料为LiF(氟化锂)。
阳极缓冲层的厚度为30nm～50nm，活性层的厚度为150nm～200nm，阴极缓冲层的厚度为0.8nm～1.5nm，Al电极层的厚度为75nm～100nm。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种用于高增益的有机光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、先在玻璃基片上镀ITO电极层，再对玻璃基片进行清洁处理；
步骤2、在经步骤1得到的ITO电极层表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片进行退火，形成阳极缓冲层；
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层上，旋涂完毕后对玻璃基片进行退火，形成活性层；
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成阴极缓冲层；然后在阴极缓冲层上沉积Al电极层；
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片进行加热到90℃～120℃，恒温保持15min～20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
步骤1的清洁处理过程为：先采用去离子水对玻璃基片进行超声清洗15min～20min，接着采用丙酮对玻璃基片进行超声清洗15min～20min，最后采用无水乙醇超声清洗15min～20min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2中：旋涂速率为3000rpm～3500rpm，旋涂时间为50s～70s；退火温度为90℃～120℃，退火时间为10min～15min。
步骤3中：P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为600rpm～800rpm，旋涂时间为50s～70s；退火温度为90℃～120℃，退火时间为10min～15min。
阳极缓冲层的厚度为30nm～50nm，活性层的厚度为150nm～200nm，阴极缓冲层的厚度为0.8nm～1.5nm，Al电极层的厚度为75nm～100nm。
本发明的有益效果在于：
本发明的有机光电探测器，在活性层采用掺入少量C60和C70两种受体材料作为电子陷阱，在增加陷阱数目的同时减少陷阱材料的聚集，增加空穴的隧穿注入，提高外量子效率；本发明的有机光电探测器，阳极缓冲层和阴极缓冲层对活性层进行修饰，能够增强空穴或电子的收集，进而提高光生电流，并能阻挡电子或空穴减小暗电流，提高探测器的比探测率，同时也能避免活性层中C60和C70造成较高的漏电流；本发明的有机光电探测器的制备方法，工艺简单，对于设备的要求低。
附图说明
图1是本发明一种有机光电探测器的结构示意图；
图2是本发明一种有机光电探测器的能级结构图；
图3为本发明一种有机光电探测器的光照射条件的工作原理图；
图4a为本发明一种有机光电探测器在无光源照射条件的电流-电压特性曲线；
图4b为本发明一种有机光电探测器在光照射条件的电流-电压特性曲线。
图中，1.玻璃基片，2.ITO电极层，3.阳极缓冲层，4.活性层，5.阴极缓冲层，6.Al电极层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种有机光电探测器，如图1所示，包括玻璃基片1，玻璃基片1表面上镀有ITO电极层2，ITO电极层2由下而上依次涂覆有阳极缓冲层3、活性层4、阴极缓冲层5及Al电极层6；
活性层4的材料为P3HT、PC61BM、C60及C70的混合物。
P3HT为电子给体材料，PC61BM为电子受体材料，C60和C70为陷阱材料，且P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1。
在活性层4中掺入C60、C70，使得C60、C70分散在聚合物P3HT和PC61BM共混薄膜中，由于C60和C70有机小分子的LUMO能级比P3HT、PC61BM的LUMO能级深，所以形成电子陷阱，在光照下陷阱俘获光生电子，使得电子在活性层/Al界面处堆积使得活性层/Al界面处能带弯曲，诱导外电路中的空穴隧穿注入到活性层中进而被阳极收集，此时光电流为光生电流和外电路空穴注入电流之和，产生光电倍增现象。
阳极缓冲层3的材料为PEDOT和PSS的混合物。
阴极缓冲层5的材料为LiF。
阳极缓冲层3的厚度为30nm～50nm，活性层4的厚度为150nm～200nm，阴极缓冲层5的厚度为0.8nm～1.5nm，Al电极层6的厚度为75nm～100nm。
本发明的有机光电探测器的工作原理如下：
在主体活性层4中掺入少量C60和C70两种受体材料作为电子陷阱，若活性层中只掺杂受体材料C60，随着C60掺杂浓度的增加，使C60聚集形成大的团簇甚至形成连续的电子传输通道,导致C60在共混薄膜中分布不均匀。当C60形成大的团簇时，不仅能从P3HT与PCBM界面处的激子解离中俘获电子，又能从Al阴极处俘获注入空穴，使得大的团簇中电子与空穴重新结合,导致Al阴极附近陷阱俘获的电子减少，空穴隧穿注入减弱，外量子效率减小；当C60聚集形成连续的电子传输通道时，能将俘获的电子输送到Al阴极，对空穴隧穿注入增强没有任何贡献，最终使光电倍增现象减弱。而同时加入增加另一种受体材料，在减少材料聚集的同时增加陷阱的数目，进而增加外电路中空穴的隧穿注入,提高外量子效率；如图2所示，由于C60和C70的LUMO能级低于P3HT和PC61BM的LUMO能级，故而形成电子陷阱。如图3所示，在光照下，部分光生载流子被陷阱俘获，在电子积累的同时会引起Al电极层一侧空穴的积累，进而使活性层/Al界面形成空间电荷区，导致P3HT能带弯曲，Al功函数随之增大，势垒宽度随之减薄,从而引起外电路空穴隧穿注入到P3HT的HOMO能级中被阳极收集，此时光电流为光生电流和外电路空穴注入电流之和，因此产生光电倍增现象，即EQE>100％。
本发明的有机光电探测器，阳极缓冲层3和阴极缓冲层5对活性层4进行修饰，能够增强空穴或电子的收集，从而提高光生电流，并且能阻挡电子或空穴减小暗电流，提高探测器的比探测率，同时也避免活性层4中掺杂少量的C60、C70造成较高的漏电流。活性层4通过体异质结克服激子的强结合能来驱动电荷转移；体异质结的界面能量有利于给体和受体自组装以形成均匀的互穿网络，使给-受体界面均匀分布在活性层4上。
一种有机光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗15min～20min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗15min～20min，最后采用无水乙醇超声清洗15min～20min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为30nm～50nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3000rpm～3500rpm，旋涂时间为50s～70s；退火温度为90℃～120℃，退火时间为10min～15min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为150nm～200nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为600rpm～800rpm，旋涂时间为50s～70s；退火温度为90℃～120℃，退火时间为10min～15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为0.8nm～1.5nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为75nm～100nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到90℃～120℃，恒温保持15min～20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
本发明的有机光电探测器，在活性层采用掺入少量C60和C70两种受体材料作为电子陷阱，在增加陷阱数目的同时减少陷阱材料的聚集，增加空穴的隧穿注入，提高外量子效率；本发明的有机光电探测器，阳极缓冲层和阴极缓冲层对活性层进行修饰，能够增强空穴或电子的收集，进而提高光生电流，并能阻挡电子或空穴减小暗电流，提高探测器的比探测率，同时也能避免活性层中C60和C70造成较高的漏电流。
实施例1
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗15min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗15minn，最后采用无水乙醇超声清洗15min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为45nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3000rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为150nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为800rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为1nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为100nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到120℃，恒温保持15min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
实施例2
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗15min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗15min，最后采用无水乙醇超声清洗15min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为40nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3200rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为190nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为600rpm，旋涂时间为50s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为1nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为100nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到120℃，恒温保持20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
实施例3
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗16min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗17min，最后采用无水乙醇超声清洗16min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为45nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3000rpm，旋涂时间为60s；退火温度为110℃，退火时间为18min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为175nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为700rpm，旋涂时间为60s；退火温度为100℃，退火时间为15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为1.2nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为100nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到90℃，恒温保持20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
实施例4
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗15min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗18min，最后采用无水乙醇超声清洗20min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为50nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3500rpm，旋涂时间为70s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为150nm～200nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为800rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为0.8nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为90nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到90℃，恒温保持18min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
实施例5
步骤1、先在玻璃基片1上镀ITO电极层2，再对玻璃基片1进行清洁处理，先采用去离子水对玻璃基片1进行超声清洗20min，接着采用丙酮对玻璃基片2进行超声清洗20min，最后采用无水乙醇超声清洗20min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
步骤2、在经步骤1处理后的玻璃基片1用紫外臭氧光清洗后，将其置于在氮气手套箱中，通过匀胶机在ITO电极层2表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为40nm的阳极缓冲层3；
旋涂速率为3500rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤3、先将P3HT、PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层3上，旋涂完毕后对玻璃基片1进行退火，形成厚度为185nm的活性层4；
其中，P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为650rpm，旋涂时间为60s；退火温度为120℃，退火时间为15min。
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片1放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成厚度为1nm的阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层5上沉积厚度为100nm的Al电极层6。
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片1进行加热到120℃，恒温保持20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
对上述实施例1-5得到的有机光电探测器进行测试，测试光源为：
蓝光LED灯，波长为455nm，光功率为0.21mW/cm2。
在外加偏置电压为-3V，其在蓝光光源的测试结果如下：
Figure BDA0001957357580000121
实施例2中，在无光源照射条件下的电流-电压曲线的测试结果如图4a，在光源照射条件下的电流-电压曲线的测试结果如图4b所示，探测器的暗电流密度为10-5A/cm2，比探测率达到1.65×1013Jones，外量子效率达到8643.014％。

Claims (8)

1.一种有机光电探测器，其特征在于，包括玻璃基片（1），所述玻璃基片（1）表面上镀有ITO电极层（2），所述ITO电极层（2）由下而上依次涂覆有阳极缓冲层（3）、活性层（4）、阴极缓冲层（5）及Al电极层（6）；
所述活性层（4）的材料为P3HT、PC61BM、C60及C70的混合物；
所述P3HT为电子给体材料，所述PC61BM为电子受体材料，所述C60和C70为陷阱材料，且P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1。
2.如权利要求1所述的一种有机光电探测器，其特征在于，所述阳极缓冲层的材料为PEDOT和PSS的混合物。
3.如权利要求1所述的一种有机光电探测器，其特征在于，所述阴极缓冲层（5）的材料为LiF。
4.如权利要求1所述的一种有机光电探测器，其特征在于，所述阳极缓冲层的厚度为30nm~50nm，所述活性层（4）的厚度为150nm~200nm，所述阴极缓冲层（5）的厚度为0.8nm~1.5nm，所述Al电极层（6）的厚度为75nm~100nm。
5.一种有机光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、先在玻璃基片（1）上镀ITO电极层（2），再对玻璃基片（1）进行清洁处理；
步骤2、在经步骤1得到的ITO电极层（2）表面旋涂PEDOT和PSS混合物；旋涂完毕后对玻璃基片（1）进行退火，形成阳极缓冲层；
步骤3、先将P3HT、 PC61BM、C60和C70溶于二氯苯中形成混合溶液，将混合溶液旋涂在阳极缓冲层上，旋涂完毕后对玻璃基片（1）进行退火，形成活性层（4）；
P3HT：PC61BM：C60：C70的质量比为10：10：0.2：0.1，旋涂速率为600rpm~800rpm，旋涂时间为50s~70s；退火温度为90℃~120℃，退火时间为10min~15min；
步骤4、先将经步骤3所得到的玻璃基片（1）放入真空蒸镀机中蒸镀LiF层，形成阴极缓冲层5；然后在阴极缓冲层（5）上沉积Al电极层（6）；
步骤5、对经步骤4所得的玻璃基片（1）进行加热到90℃~120℃，恒温保持15min～20min，之后将温度降到室温，得到有机光电探测器。
6.如权利要求5所述的一种有机光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤1所述的清洁处理过程为：先采用去离子水对玻璃基片进行超声清洗15min~20min，接着采用丙酮对玻璃基片进行超声清洗15min~20min，最后采用无水乙醇超声清洗15min~20min，然后用纯氮气吹干或红外烘干。
7.如权利要求5所述的一种有机光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中：旋涂速率为3000rpm~3500rpm，旋涂时间为50s~70s；退火温度为90℃~120℃，退火时间为10min~15min。
8.如权利要求5所述的一种有机光电探测器的制备方法，其特征在于，所述阳极缓冲层的厚度为30nm~50nm，所述活性层（4）的厚度为150nm~200nm，所述阴极缓冲层（5）的厚度为0.8nm~1.5nm，所述Al电极层（6）的厚度为75nm~100nm。
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