CN111162173B - 一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器，从下至上依次设置为衬底、透明导电阴极ITO、电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极，所述电子传输层由ZnO纳米颗粒溶液和掺杂PCBM混合而成，厚度为40～50nm。本发明通过优化和修饰电子传输层，减少传输层中的缺陷，将电子传输层厚度提升至便于工业化生产的量级。

Description

一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器件技术领域，尤其涉及一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法。
背景技术
有机光电探测器是利用具有光电效应的材料制成的能够实现光电转换的传感器。传统的光探测器是用无机半导体材料制成，其制作工艺复杂，成本高，且不适于做大面积器件。由于有机材料具有高效的光敏感，质轻，价廉，加工性能优异等特点，更易制备小体积，低功耗，低成本的探测器件，能够弥补了无机光探测器中普遍存在的设备昂贵、工艺复杂等缺陷。种类繁多的有机半导体材料也为有机光探测器件的发展和创新提供了很大的可选择性，根据需要合成出具有相应光电特性的新材料。因此有机光探测器将具有更大的研究空间和商业价值，比如在天文学，环境监测，分光和医学检测仪器等。
目前ZnO薄膜的制备工艺主要分为利用前驱体反应生成ZnO的溶胶凝胶法和将合成的ZnO纳米颗粒分散到溶液中直接制备成薄膜的纳米颗粒法。溶胶凝胶法ZnO粒径小，薄膜较为致密，不易形成阻碍载流子传输的缺陷，但是膜厚一般只能做到80nm以内，不利于实现大面积生产，而且配置的过程相对复杂。大颗粒径ZnO纳米颗粒分散液制备的电子传输层具有与光活性层接触面积大，膜厚较厚，便于实现大规模生产等优点，但是采用旋涂ZnO纳米颗粒分散液作为电子传输层时，由于ZnO纳米颗粒粒径为100nm左右，颗粒之间的间隙较大，容易形成缺陷，从而导致载流子的传输与分离受阻，同时ZnO纳米颗粒薄膜的界面粗糙度相比溶胶凝胶法ZnO更为粗糙，使得器件拥有较大的界面接触电阻与较高的载流子复合几率，这都将严重制约器件的性能。因此，通过优化和修饰电子传输层，减少传输层中的缺陷，将电子传输层厚度提升至便于工业化生产的量级，以及进一步提升器件的探测率，是目前有机光电探测器领域研究的重点及难点之一。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器及其制备方法，通过优化和修饰电子传输层，减少传输层中的缺陷，将电子传输层厚度提升至便于工业化生产的量级。
本发明的技术方案是构造一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器，从下至上依次设置为衬底、透明导电阴极ITO、电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属阳极，所述电子传输层由ZnO纳米颗粒溶液和掺杂PCBM混合而成，厚度为40～50nm。
优选地，所述光活性层由电子给体材料P3HT和电子受体材料IEICO-4F混合而成，厚度为200～300nm。
优选地，所述空穴传输层材料MoO3，厚度为15nm。
优选地，所述金属阳极材料为Ag、Al和Au中的一种或多种，薄层厚度为100nm。
优选地，所述衬底为透明聚合物材料，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
本发明还提供一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对由衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：将ZnO纳米颗粒溶液和掺杂PCBM混合配置成电子传输层溶液，其中掺杂的PCBM体积比为3％、5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％，再将配置好的电子传输层溶液旋涂至ITO基板上，并将旋涂后的基片进行热退火处理，得到电子传输层；
步骤3：在电子传输层上制备光活性层，将电子给体材料P3HT和电子受体材料IEICO-4F按质量比1:1进行混合，制得光活性层溶液，再将光活性层溶液旋涂电子传输层上制备成光活性层。
步骤4：在真空度为3×103Pa条件下,在光活性层表面蒸镀MoO3，制备得到空穴传输层；
步骤5：在空穴传输层上蒸镀金属阳极。
优选地，步骤2中，所述热退火温度为150℃，时间为15min。
优选地，步骤2中，所述热退火方式为恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种。
优选地，步骤3中，所述光活性层溶液浓度为30mg/ml。
本发明有益效果：
1.通过在电子传输层中掺杂PCBM，使得旋涂的电子传输层的表面变得更平整，有效的减小了电子传输层的表面粗糙度，降低界面间的接触电阻，降低了器件的暗电流；
2.通过在电子传输层中掺杂PCBM，能够在保证电子传输层与光活性层具有较大的接触面积的同时，填充ZnO纳米颗粒之间的空隙，减少电子传输层的缺陷，降低载流子的复合几率，有效提升器件的光电流；
3.通过在电子传输层中掺杂PCBM，不仅可以增加器件在紫外波段的吸收，同时增加有效的电荷传输路径和激子的解离率，提高光电流。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种基于掺杂型电子传输层的有机光电探测器的结构示意图。
附图序号说明：
1-衬底，2-透明导电阴极ITO，3-电子传输层，4-光活性层，5-空穴传输层，6-金属阳极。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
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。
对照组
对表面粗糙度小于1nm的由衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO表面旋涂ZnO的混合溶液(5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层，在电子传输层上旋涂P3HT:IEICO(1:1,30mg/ml)光活性层(800rpm,30s)，在光活性层表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝3.52×10-6A/cm2，光电流(Jph)＝2.62×10-3A/cm2，比探测率(D*)＝1.47×1011Jones。
实施例组
实施例1：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.03,5000rpm40s)，然后热退火处理(150℃,15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝3.23×10-6A/cm2，光电流(Jph)＝3.25×10-3A/cm2，比探测率(D*)＝2.2×1011Jones。
实施例2：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.05,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s,)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2,测得器件的暗电流(Jd)＝1.42×10-6A/cm2,光电流(Jph)＝4.15×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝4.67×1011Jones。
实施例3：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.08,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s,)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝1.04×10-6/cm2，光电流(Jph)＝6.12×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝5.46×1011Jones。
实施例4：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.1,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s,)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝9.85×10-7A/cm2，光电流(Jph)＝8.35×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝9.16×1011Jones。
实施例5：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1:0.12,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s,)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝6.32×10-7A/cm2，光电流(Jph)＝9.73×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝1.05×1012Jones。
实施例6：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.15,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s)，在光活性层4表面蒸镀层空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝4.26×10-7A/cm2，光电流(Jph)＝5.93×10-2A/cm2,比探测率(D*)＝2.87×1012Jones。
实施例7：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.18,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s,)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝2.42×10-6A/cm，光电流(Jph)＝4.14×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝2.35×1011Jones。
实施例8：
对表面粗糙度小于1nm的由衬底1及透明导电阴极ITO 2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在透明导电阴极ITO 2表面旋涂制备ZnO的混合溶液(1：0.2,5000rpm40s)，并进行热退火处理(150℃，15min)制备电子传输层3，在电子传输层3上采用旋涂制备P3HT:IEICO-4F(1:1,30mg/ml)光活性层4(800rpm,30s)，在光活性层4表面蒸镀空穴传输层5MoO3(15nm)；在空穴传输层5上蒸镀金属阳极6Ag(100nm)。在标准测试条件下：AM1.5,100mW/cm2，测得器件的暗电流(Jd)＝3.75×10-6A/cm2，光电流(Jph)＝3.93×10-3A/cm2,比探测率(D*)＝1.17×1011Jones。
表1 测试数据结果
Figure BDA0002345502860000051
Figure BDA0002345502860000061
由表可看出：通过在ZnO纳米颗粒溶液中掺杂PCBM溶液制备的有机光电探测器(即实施例2-9制备而成的有机光电探测器)相比于未掺杂PCBM溶液(即实施例1制备而成的有机光电探测器)，其光电流密度变大，暗电流减小。这是由于通过掺杂PCBM溶液，，在保证电子传输层与光活性层具有大的接触面积的同时，填充了大颗粒径ZnO纳米颗粒之间的空隙，减少了电子传输层里的缺陷，增加了电子传输层的导电性，使得在制备厚度达到40～50nm厚度的电子传输层薄膜的同时，还能够保持优秀的器件性能，利于实现大面积生产。通过对混合ZnO层进行热退火，由于PCBM的分子结构，使得它能够紧密依附在大颗粒径的ZnO纳米颗粒上，避免了电子传输过程中因薄膜致密程度不足引起的载流子复合问题，并且修饰了ZnO纳米颗粒薄膜的形貌，降低了电子传输层的表面粗糙度，在电子传输层与光活性层界面形成了更好的欧姆接触，增大了器件的光电流密度降低了暗电流，最终使得器件的探测率得到较大的提高。
PCBM是一种富勒烯衍生物，因为它的球型分子结构，使它具有良好的三维连通性，可以高效的传输电子，在我们以往的研究中通常用做活性层的受体材料，当掺杂比例为15％时，器件的性能最优。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器，从下至上依次设置为衬底(1)、透明导电阴极ITO(2)、电子传输层(3)、光活性层(4)、空穴传输层(5)和金属阳极(6)，其特征在于，所述电子传输层(3)由ZnO纳米颗粒溶液和掺杂PCBM混合而成，厚度为40～50nm。
2.根据权利要求1所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器，其特征在于，所述光活性层(4)由电子给体材料P3HT和电子受体材料IEICO-4F混合而成，厚度为200～300nm。
3.根据权利要求1所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器，其特征在于，所述空穴传输层(5)材料MoO3，厚度为15nm。
4.根据权利要求1所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器，其特征在于，所述金属阳极(6)材料为Ag、Al和Au中的一种或多种，薄层厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器，其特征在于，所述衬底(1)为透明聚合物材料，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸中的一种或多种。
6.一种掺杂型电子传输层的有机光电探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对由衬底(1)及透明导电阴极ITO(2)所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：将ZnO纳米颗粒溶液和掺杂PCBM混合配置成电子传输层(3)溶液，其中掺杂的PCBM体积比为3％、5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％，再将配置好的电子传输层(3)溶液旋涂至ITO基板上，并将旋涂后的基片进行热退火处理，得到电子传输层(3)；
步骤3：在电子传输层(3)上制备光活性层(4)，将电子给体材料P3HT和电子受体材料IEICO-4F按质量比1:1进行混合，制得光活性层(4)溶液，再将光活性层(4)溶液旋涂电子传输层(3)上制备成光活性层(4)；
步骤4：在真空度为3×103Pa条件下,在光活性层(4)表面蒸镀MoO3，制备得到空穴传输层(5)；
步骤5：在空穴传输层(5)上蒸镀金属阳极(6)。
7.据权利要求6所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器制备方法，其特征在于，步骤2中，所述热退火温度为150℃，时间为15min。
8.根据权利要求6所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器制备方法，其特征在于，步骤2中，所述热退火方式为恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种。
9.据权利要求6所述的掺杂型电子传输层的有机光电探测器制备方法，其特征在于，步骤3中，所述光活性层(4)溶液浓度为30mg/ml。
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