CN109872878A - 一种新型的自供电柔性光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种新型的自供电柔性光电探测器的制备方法，该自供电柔性光电探测器是由以柔性ITO为基底的光阳极、固态电解液、以柔性ITO为基底的对电极构成。在本发明中光阳极是由WS2‑RGO复合物构成，固态电解液用来代替传统的液态电解液，对电极是由碳纳米颗粒构成，主要作用是收集电子以达到催化还原的作用。本发明可以将光信号直接转化为电信号，无需外加偏压，是一种自驱动的光电探测器，且该探测器可以实现折叠弯曲，使得该探测器在复杂的环境下也可以实现光探测，本发明的制备过程相对简单，实验条件并不苛刻，且光响应速度较快，光灵敏度较高有利于实现大规模制备。

Description

一种新型的自供电柔性光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种自供电的柔性光电化学型探测器的制备方法，属于电化学光探测领域。
背景技术
近年来，柔性电子器件得到各个领域研究者的广泛的关注。与传统电子器件相比，柔性电子器件具有便携式、可穿戴性等诸多优点，柔性技术作为现代科技的重要发展技术，在生物医学、信息、能源等领域具有重要的应用前景。为了满足这些柔性电子器件广泛的应用需求，光电探测器器件不仅须要较高的灵敏度和较快的光响应速度，同时还要有优良的柔韧性和可加工性以满足未来柔性集成电路技术和制造工艺飞速发展的要求。
光电探测器是一种将光信号转化为另一种可以接收处理的信号(电信号)的传感器，被广泛应用于军事与民用生活中。如太阳能发电、生物医学、环境监测以及远程控制等领域。光电探测器有几种不同的类型，主要包括光导型、光伏型。商业化使用的光电导型探测器，其灵敏度高，工艺成熟，但响应速度较慢。同时现在越来越多的人开始研究光伏型探测器，但其要求精度高，工艺复杂，成为限制其广泛应用的重要因素。
自驱动的电子器件不需要耗费外接电源，可以实现自己给自己提供能源，成为了当今各类研究的热点。光电化学光电探测器是一种新型的自供电光电探测器。主要接触形式为半导体-液体接触，半导体与电解质接触形成的内置电场将电子与空穴分离，这意味着光电化学光电探测器具有自供电的能力。该型光电探测器通常在不存在外部偏置的情况下产生高电流响应，响应速度较快，。由于光电化学(PEC)型光探测器是一种低成本且能自驱动的新型光探测器，也获得了越来越多的研究工作者的关注。
发明内容
本发明的主要目的是设计一种响应时间短、灵敏度高的制备工艺简单价格低廉的柔性自供电光电化学型光探测器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该柔性自供电光电化学型光探测器的制备方法包括以下步骤：
(1)二维WS2-RGO复合物：其中WS2、GO(氧化石墨烯)和去离子水的质量比(1～10):1:(100～1000),置于反应釜中，在鼓风干燥箱200℃环境下放置12小时，自然冷却至常温后，抽滤并在真空环境下60℃得到二维WS2-RGO复合物。
(2)柔性器件两极的制备：将二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液分别旋涂到面积为3cm2的柔性ITO上，置于真空干燥箱，干燥温度为80～100℃，干燥时间为8～12小时。
(3)固态电解质的制备方法：固态电解质是将质量百分比为5％～20％的聚乙烯醇、5％～20％浓硫酸和40％～80％的去离子水在80～100℃下混合均匀搅拌制成水凝胶。
(4)柔性器件的组装方法：将二维WS2-RGO复合物和碳纳米管分别作为光电化学探测器的两极，将固态电解质分别涂在柔性器件的两极上，在室温环境下让固态电解质成型，再将柔性器件的两极叠压在一起，静置干燥即可得到所述的自供电柔性光电探测器。
步骤(1)所述的WS2纳米片是由实验室购买的块状WS2液相剥离得到的，所述的GO是Hummers法合成的。
所述的无水乙醇均为市场上购买的纯度大于99％的工业产品，所用水均为去离子水。
本发明设计了一种新颖的基于二维WS2-RGO复合物为工作电极的柔性自供电光电化学型光探测器，具有以下的优点：
(1)自供电，无需外加偏压。
本发明实质是一种光电化学型的光伏器件，这是由于固液接触会产生内建电场将电子与空穴分离，故可以直接将光信号转化为电信号。该器件无需外电路提供偏压就可以工作，大大减小了器件的体积，提高了器件的便携性，且减少了电池能源的供应，有效的减少了环境的污染。
(2)可弯曲，可在复杂的环境下工作。
本发明使用柔性ITO作为基底，用固态电解液代替液体电解液，因此该器件可以折叠弯曲，且在弯曲状态下光探测性能基本保持不变。为光探测器件儿可在各种复杂环境下工作提供了思路。
(3)灵敏度较高，响应时间短。
本发明自供电柔性光电探测器是属于光电化学型器件，在光辐照度为30mW/cm2的可见光的照射下，光电流密度为1.5uA/cm2，本发明的光电流的上升时间为2.36s，下降时间为0.92s,具有较好的应用前景。
(4)制备成本低，制备工艺简单。
本发明是一种柔性自供电光电探测器具备制造工艺简单，制备成本低等优点，可用于大规模制备。
附图说明
图1是本发明所制得的柔性自供电光电化学型光探测器的结构示意图。
图2是本发明所制得的柔性自供电光电化学型光探测器的实物图。
图3是本发明的线性扫描伏安特性曲线图。
图4是本发明所制得的柔性自供电光电化学型光探测器在偏压为0V时的电流-电压曲线图。
图5是本发明的探测器开和关的响应时间曲线。
图6是本发明所制得的柔性自供电光电化学型光探测器在弯曲和非弯曲状态下的电流-电压曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做出详细的描述，使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚。
图1为本发明的柔性自供电光电化学型光探测器结构示意图，示意图自上而下分别为柔性ITO基底、二维WS2-RGO复合物、固态电解质、碳纳米管和柔性ITO基底。
图2为本发明的柔性自供电光电化学型光探测器的实物图，分别是该器件在不同状态下(弯曲、非弯曲)的实物图。
图3为本发明制得的柔性自供电光电化学型光探测器的伏安特性曲线图，从图中可以看出光电流和暗电流随偏压变化的对比图。
图4为本发明制得的柔性自供电光电化学型光探测器在没有外加电压时的光响应图，其中所用的光源为辐照强度为30mW/cm2的可见光得到光电流密度约为1.5uA/cm2。
图5为本发明制得的柔性自供电光电化学型光探测器的光响应时间图，其中上升时间为2.36s,下降时间为0.92s。
图6为本发明制得的柔性自供电光电化学型光探测器的柔性性能测试图，分别将测试光探测器在弯曲和非弯曲状态下的灵敏度测试，可以从图中看出该探测器在弯曲状态下灵敏度约为非弯曲状态下的90％，说明该器件有很好的柔性性能。
实施例1:
(1)WS2-RGO复合物的制备：分别称取80mg硫化钨纳米片、10mg氧化石墨烯溶于30ml去离子水中,置于反应釜中，在鼓风干燥箱200℃环境下放置12小时，取出抽滤得到二维WS2-RGO复合物并置于真空干燥箱60℃环境下干燥4小时.
(2)光探测器两极的制备：将柔性ITO分别置于丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，然后置于干燥箱中干燥，称取二维WS2-RGO复合物3mg置于1ml的无水乙醇中，称取3mg的碳纳米管置于1ml的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中形成溶液，将二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液分别旋涂到面积为3cm2的柔性ITO上，置于真空干燥箱，干燥温度为80℃，干燥时间为12小时，分别制得该探测器的两个电极。
(3)固态电解质的制备：分别取1g聚乙烯醇、1ml浓硫酸溶于20ml的去离子水置于水域搅拌器中水域加热，加热温度为95℃，加热时间为20分钟，得到颜色透明的胶状液体。
(4)光探测器的组装：分别将固态电解质涂在该探测器的两极，在室温下干燥4小时，再将该探测器的两极覆盖在一起，自然干燥24小时即可得到该柔性自供电光电化学型光电探测器。
实施例2：
(1)WS2-RGO复合物的制备：分别称取80mg硫化钨纳米片、20mg氧化石墨烯溶于30ml去离子水中,置于反应釜中，在鼓风干燥箱200℃环境下放置12小时，取出抽滤得到二维WS2-RGO复合物并置于真空干燥箱60℃环境下干燥4小时。
(2)光探测器两极的制备：将柔性ITO分别置于丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，然后置于干燥箱中干燥，称取二维WS2-RGO复合物3mg置于1ml的无水乙醇中，称取3mg的碳纳米管置于1ml的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中形成溶液，将二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液分别旋涂到面积为3cm2的柔性ITO上，置于真空干燥箱，干燥温度为80℃，干燥时间为12小时，分别制得该探测器的两个电极。
(3)固态电解质的制备：分别取1g聚乙烯醇、1ml浓硫酸溶于20ml的去离子水置于水域搅拌器中水域加热，加热温度为95℃，加热时间为20分钟，得到颜色透明的胶状液体。
(4)光探测器的组装：分别将固态电解质涂在该探测器的两极，在室温下干燥4小时，再将该探测器的两极覆盖在一起，自然干燥24小时即可得到该柔性自供电光电化学型光电探测器。
实施例3：
(1)WS2-RGO复合物的制备：分别称取80mg硫化钨纳米片、10mg氧化石墨烯溶于30ml去离子水中,置于反应釜中，在鼓风干燥箱200℃环境下放置12小时，取出抽滤得到二维WS2-RGO复合物并置于真空干燥箱60℃环境下干燥4小时.
(2)光探测器两极的制备：将柔性ITO分别置于丙酮、酒精、去离子水中超声清洗，然后置于干燥箱中干燥，称取二维WS2-RGO复合物3mg置于1ml的无水乙醇中，称取3mg的碳纳米管置于1ml的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中形成溶液，将二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液分别旋涂到面积为3cm2的柔性ITO上，置于真空干燥箱，干燥温度为80℃，干燥时间为12小时，分别制得该探测器的两个电极。
(3)固态电解质的制备：分别取1g聚乙烯醇、0.5ml浓硫酸溶于20ml的去离子水置于水域搅拌器中水域加热，加热温度为95℃，加热时间为20分钟，得到颜色透明的胶状液体。
(4)光探测器的组装：分别将固态电解质涂在该探测器的两极，在室温下干燥4小时，再将该探测器的两极覆盖在一起，自然干燥24小时即可得到该柔性自供电光电化学型光电探测器。

Claims (5)

1.一种新型的自供电柔性光电探测器，其特征是该探测器是由柔性ITO为基底的二维WS2-RGO复合物、稀硫酸固态电解液和以柔性ITO为基底的碳纳米管构成。
2.一种新型的自供电柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将柔性ITO依次置于丙酮、酒精、去离子水中超声清洗并烘干；分别将二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液旋涂到烘干的柔性ITO上制得该柔性光电化学探测器的两极。
(2)将二维WS2-RGO复合物和碳纳米管分别作为光电化学探测器的两极，将电解质分别涂在柔性器件的两极上，在室温环境下让固态电解质成型，再将柔性器件的两极叠压在一起，静置干燥即可得到自供电柔性光电探测器。
3.根据权利要求2所述的基于二维WS2-RGO复合物的自供电柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二维WS2-RGO复合物、碳纳米管溶液通过以下步骤制得：称取二维WS2-RGO复合物0.5～5mg置于1ml的无水乙醇中，称取1～3mg的碳纳米管置于1ml的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中置于超声机中超声30min形成溶液。
4.根据权利要求2所述的基于二维WS2-RGO复合物的自供电柔性光电化学探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的光电化学探测器的两极通过以下步骤制得：将权利要求2所制得的溶液分别旋涂到长为3cm,宽为1cm的柔性ITO上，置于真空干燥箱，干燥温度为80～100℃，干燥时间为8～12小时。
5.根据权利要求2所述的基于二维WS2-RGO复合物的自供电柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中使用的固态电解质为质量百分比为5％～20％的聚乙烯醇、5％～20％浓硫酸和40％～80％的去离子水在80～100℃下混合均匀搅拌制成水凝胶。
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