CN110299452A - 一种钙钛矿紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钙钛矿紫外光电探测器及其制备方法，其中一种钙钛矿紫外光电探测器包括：量子点荧光体；量子点荧光体CPI衬底完全覆盖于量子点荧光体上；ITO导电玻璃衬底完全覆盖于量子点荧光体CPI衬底上；钙钛矿光吸收层阵列位于ITO导电玻璃衬底上且被ITO导电玻璃衬底和PCBM电子传输层完全包围；PCBM电子传输层位于ITO导电玻璃衬底、钙钛矿光吸收层阵列和BCP缓冲层之间；BCP缓冲层完全覆盖PCBM电子传输层；Au电极位于BCP缓冲层上；钙钛矿光电二极管包括ITO导电玻璃衬底、钙钛矿光吸收层阵列、PCBM电子传输层、BCP缓冲层和Au电极。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测成像领域，尤其涉及一种钙钛矿紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
混合型有机-无机钙钛矿材料，由于其优异的光电性能，如高的光吸收系数、长的电荷载流子寿命和扩散长度以及可调节的带隙等，引起了广泛的关注。在不同类型的光电探测器中，它们被广泛用作光吸收层，将光信号转换成电信号。钙钛矿光电二极管具有暗电流小、响应速度快、探测能力强等优点，它们还被应用于探测X射线、紫外线(UV)和近红外(NIR)波长的光。
全无机铯-铅卤化物-钙钛矿纳米晶体或量子点都具有优异的光学性能，如高光致发光量子产率、窄线宽度和短辐射寿命，使它们成为实用光电应用的一种有希望的材料，特别是转换能力。高能量光子通过直接带隙发射转化为低能量可见光子，使CsPbBr3量子点成为X射线探测中一种有前途的荧光材料。通过调节阴离子组分和量子点大小，CsPbBr3量子点的光致发光发射光谱也可以在可见光谱上进行调整，这与大多数混合有机-无机钙钛矿材料的吸收光谱相匹配。
紫外光(UV)的检测具有广泛的应用，如健康、基础设施、环境和生物分析与监测、火焰检测、无人值守站、天文研究、光通信和发射器校准。紫外线-C的检测和成像对于光刻、表面污染检测和紫外天文学非常重要。已报告的钙钛矿光电二极管主要是检测紫外线-A(400至320纳米)的光。然而，用于检测紫外线-C(280-200nm)光的钙钛矿光电二极管的报道很少。因此，对于开发新型的用于成像应用的深紫外探测器或照相机的需求日益增长。
基于钙钛矿光电二极管难以检测紫外线-C光，主要可以归结为两个原因。首先，基于钙钛矿光电二极管通常是在透明导电氧化物(TCO)玻璃上制造的，该玻璃可吸收350nm以下的大部分紫外光子，导致钙钛矿层中的光生载流子相对较低；其次，长期暴露在紫外光下可能导致钙钛矿光电二极管的衰减。因此，如何设计高性能的钙钛矿光电二极管，并用于检测紫外-C(280-200nm)，远紫外(200-10nm)等光谱区域仍然是一个挑战。
发明内容
本发明提供一种钙钛矿紫外光电探测器及其制备方法，以解决钙钛矿探测器在深紫外光区域探测率低，及容易衰减等问题。
一方面，本发明提供一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
量子点荧光体1；
量子点荧光体CPI衬底2完全覆盖于量子点荧光体1上；
ITO导电玻璃衬底3完全覆盖于量子点荧光体CPI衬底2上；
钙钛矿光吸收层阵列4位于ITO导电玻璃衬底3上且被ITO导电玻璃衬底3和PCBM电子传输层5完全包围；
PCBM电子传输层5位于ITO导电玻璃衬底3、钙钛矿光吸收层阵列4和BCP缓冲层6之间；
BCP缓冲层6完全覆盖于PCBM电子传输层5上；
Au电极7位于BCP缓冲层6上；
钙钛矿光电二极管包括ITO导电玻璃衬底3、钙钛矿光吸收层阵列4、PCBM电子传输层5、BCP缓冲层6和Au电极7；
量子点荧光体CPI衬底2、ITO导电玻璃衬底3和BCP缓冲层6投影面积等于量子点荧光体1。
进一步地，所述量子荧光体1包括以下材料至少一种：CsPbBr3、CsPbCl3-xBrx、CsPbI3-xBrx。
进一步地，所述量子点荧光体CPI衬底2为柔性透明衬底。
进一步地，所述量子点荧光体CPI衬底2为玻璃衬底。
进一步地，所述钙钛矿光电二极管的感光材料包括以下材料至少一种：CH3NH3PbI3、CsPbI3-xClx、CsPbI3-xBrx。
另一方面，本发明提供一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)ITO导电玻璃衬底3的清洗：先将刻蚀过的ITO导电玻璃衬底3用去离子水超声清洗10-20分钟，再用丙酮溶液超声清洗10-20分钟，最后用酒精超声清洗10-20分钟，之后用氮气吹干ITO导电玻璃衬底3。
(2)制备钙钛矿光吸收层阵列4：(a)在ITO导电玻璃衬底3上，利用掩模板，通过热蒸发的方式沉积图案化的PbI2(碘化铅)阵列，PbI2薄膜的厚度为150nm～200nm，方块的边长为300μm～800μm；(b)将MAI(CH3NH3I，碘甲胺)的溶液，其浓度为20-30mg/ml，以2000-3000rpm的速度旋涂到图案化的PbI2薄膜上面，再将基片在80-120℃下退火20～40分钟，退火后再用异丙醇溶液冲洗掉基片表面过量的MAI，最后再退火5～10分钟。
(3)PCBM电子传输层5、BCP缓冲层6和Au电极7的制备：(a)在步骤2得到的器件上以1500～3000rpm的速率旋涂浓度为15～30mg/ml的PCBM溶液，然后置于加热台上退火10～20分钟；(b)再以1500～3000rpm的速率旋涂饱和的BCP溶液；(c)将得到的器件放入真空度低于9×10-4Pa压强的真空腔室，通过热蒸发法，利用掩模板蒸镀阵列化Au电极，厚度为60～120nm，蒸发速率为0.001-0.05nm/s。
(4)下转换量子点荧光体1的制备：将CsPbBr3量子点溶液滴涂在量子点荧光体CPI衬底上，随后在25～50℃的氛围内让CsPbBr3量子点溶液缓慢干燥。
(5)组装量子点荧光体1和钙钛矿光电二极管：最后将步骤4制备的量子点衬底贴在步骤3制备的钙钛矿光电二极管的ITO导电玻璃衬底的一侧，从而完成一种钙钛矿紫外光电探测器的制备。
进一步地，所述钙钛矿光吸收层阵列4的制备方法为两步法，包括蒸镀碘化铅，旋涂碘甲胺MAI。
进一步地，所述的蒸镀碘化铅方法为在蒸镀碘化铅前先旋涂一层碘甲胺MAI。
进一步地，所述的PCBM电子传输5层和BCP缓冲层6的制备方法包括旋涂法；所述的Au电极7的制备方法包括热蒸发法。
进一步地，所述的下转换量子点荧光体1的制备方法包括旋涂、刮涂，滴涂或浇灌。
上述技术方案具有如下有益效果：
1、通过将所有CsPbBr3量子点荧光体与钙钛矿光电二极管集成，光探测器在紫外线-C(279nm)光探测方面表现出增强的性能；
2、改进的探测器是通过将紫外线转化为可见光，从而大幅度增加照射在钙钛矿光吸收层阵列上的光子数量；
3、量子点荧光体能有效地抵抗紫外光对钙钛矿体的损伤，延长器件寿命。
本发明通过结合CsPbBr3量子点荧光体和钙钛矿材料的优点，提出了一种高灵敏度的钙钛矿紫外光电探测器，该钙钛矿紫外光电探测器由钙钛矿光电二极管和CsPbBr3量子点荧光体组成，用于改进紫外光的探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例CsPbBr3量子点的高分辨率透射电镜图；
图2为本发明一实施例光电探测器阵列结构示意图；
图3为本发明一实施例一种钙钛矿紫外光电探测器示意图；
图4为本发明一实施例在279nm光照条件下，不含量子点荧光体的钙钛矿光电二极管的电流密度-电压曲线图；
图5为本发明一实施例在279nm光照条件下，含量子点荧光体的钙钛矿光电二极管的电流密度-电压曲线图；
附图标记表示为：1、量子点荧光体；2、量子点荧光体CPI衬底；3、ITO导电玻璃衬底；4、钙钛矿光吸收层阵列；5、PCBM电子传输层；6、BCP缓冲层；7、Au电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
CsPbBr3量子点荧光体；
量子点荧光体CPI(无色聚酰亚胺)衬底完全覆盖于量子点荧光体上；
ITO导电玻璃衬底完全覆盖于量子点荧光体CPI衬底上；
钙钛矿CH3NH3PbI3光吸收层阵列位于ITO导电玻璃衬底上且被ITO导电玻璃衬底和PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)电子传输层完全包围；
PCBM电子传输层位于ITO导电玻璃衬底、钙钛矿光吸收层阵列和BCP缓冲层之间；
BCP(2,9-d imethyl-4,7-d iphenyl-1,10-phenanthroline，2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲)缓冲层完全覆盖于PCBM电子传输层上；
Au电极位于BCP缓冲层上；
钙钛矿光电二极管包括ITO导电玻璃衬底、钙钛矿光吸收层阵列、PCBM电子传输层、BCP缓冲层和Au电极；
量子点荧光体CPI衬底、ITO导电玻璃衬底和BCP缓冲层投影面积等于量子点荧光体。
进一步地，所述量子荧光体包括以下材料至少一种：CsPbBr3、CsPbCl3-xBrx、CsPbI3-xBrx。
进一步地，所述量子点荧光体CPI衬底为柔性透明衬底。
进一步地，所述量子点荧光体CPI衬底为玻璃衬底。
进一步地，所述钙钛矿光电二极管的感光材料包括以下材料至少一种：CH3NH3PbI3、CsPbI3-xClx、CsPbI3-xBrx。
本发明实施例提供一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)ITO导电玻璃衬底的清洗；
先将刻蚀过的ITO导电玻璃衬底分别用去离子水、丙酮溶液和酒精超声清洗15分钟，再用氮气吹干ITO导电玻璃衬底。
(2)制备钙钛矿光吸收层阵列；
钙钛矿光吸收层阵列的制备可以是在ITO导电玻璃衬底上，利用掩模板，通过热蒸发的方式沉积图案化的PbI2(碘化铅)阵列，PbI2薄膜的厚度约为180nm，方块的边长为800μm。将浓度为30mg/ml的MAI溶液，以3000rpm的速度旋涂到图案化的PbI2薄膜上面，形成PbI2/MAI叠层，再将叠层基片在100℃下退火30分钟，退火后再用异丙醇溶液冲洗掉基片表面过量的MAI，最后再退火10分钟。也可以，在完成步骤1以后，先在ITO导电玻璃衬底上以2000rpm旋涂浓度为5mg/ml的MAI溶液，再利用掩模板，通过热蒸发的方式沉积图案化的PbI2(碘化铅)阵列，形成MAI/PbI2/MAI叠层，然后再进行后面的步骤。
(3)PCBM电子传输层、BCP缓冲层和Au电极的制备；
在步骤2得到的器件上以2000rpm的速率旋涂浓度为20mg/ml的PCBM溶液，然后置于加热台上退火10～20分钟；再以2000rpm的速率旋涂饱和的BCP溶液；将得到的器件放入真空度为5×10-4Pa压强的真空腔室，通过热蒸发法，蒸镀厚度为100nm的阵列化Au电极，蒸发速率为0.03nm/s。
(4)下转换量子点荧光体的制备；
将CsPbBr3量子点溶液滴涂在CPI衬底上，随后在25～50℃的氛围内让量子点溶液缓慢干燥。
(5)组装量子点荧光体和钙钛矿光电二极管；
最后将步骤4制备的量子点衬底贴在步骤3制备的钙钛矿二极管阵列的ITO导电玻璃衬底一侧，从而完成一种钙钛矿紫外光电探测器的制备。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
量子点荧光体(1)；
量子点荧光体CPI衬底(2)完全覆盖于量子点荧光体(1)上；
ITO导电玻璃衬底(3)完全覆盖于量子点荧光体CPI衬底(2)上；
钙钛矿光吸收层阵列(4)位于ITO导电玻璃衬底(3)上且被ITO导电玻璃衬底(3)和PCBM电子传输层(5)完全包围；
PCBM电子传输层(5)位于ITO导电玻璃衬底(3)、钙钛矿光吸收层阵列(4)和BCP缓冲层(6)之间；
BCP缓冲层(6)完全覆盖于PCBM电子传输层(5)上；
Au电极(7)位于BCP缓冲层(6)上；
钙钛矿光电二极管包括ITO导电玻璃衬底(3)、钙钛矿光吸收层阵列(4)、PCBM电子传输层(5)、BCP缓冲层(6)和Au电极(7)；
量子点荧光体CPI衬底(2)、ITO导电玻璃衬底(3)和BCP缓冲层(6)投影面积等于量子点荧光体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
所述量子点荧光体(1)包括以下材料至少一种：CsPbBr3、CsPbCl3-xBrx、CsPbI3-xBrx。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
所述量子点荧光体CPI衬底(2)为柔性透明衬底。
4.根据权利要求1所述的一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
所述量子点荧光体CPI衬底(2)为玻璃衬底。
5.根据权利要求1所述的一种钙钛矿紫外光电探测器，其特征在于，包括：
所述钙钛矿光电二极管的感光材料包括以下材料至少一种：CH3NH3PbI3、CsPbI3-xClx、CsPbI3-xBrx。
6.一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，包括：
(1)ITO导电玻璃衬底(3)的清洗；
(2)制备钙钛矿光吸收层阵列(4)；
(3)PCBM电子传输层(5)、BCP缓冲层(6)和Au电极(7)的制备；
(4)下转换量子点荧光体(1)的制备；
(5)组装量子点荧光体(1)和钙钛矿光电二极管。
7.根据权利要求6所述的一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
所述钙钛矿光吸收层阵列(4)的制备方法为两步法，包括蒸镀碘化铅，旋涂碘甲胺MAI。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
所述的蒸镀碘化铅方法为在蒸镀碘化铅前旋涂一层碘甲胺MAI。
9.根据权利要求6所述的一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
所述的PCBM电子传输层(5)和BCP缓冲层(6)的制备方法包括旋涂法；
所述的Au电极(7)的制备方法包括热蒸发法。
10.根据权利要求6所述的一种钙钛矿紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
所述的下转换量子点荧光体(1)的制备方法包括以下至少一种：旋涂、刮涂、滴涂或浇灌。
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