CN111180585A - 一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器及其制备方法 - Google Patents

一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器及其制备方法，所述探测器从下到上依次设置有衬底、金属阳极、第一空穴传输层、活性层、第二空穴传输层、金属阴极，所述衬底为柔性衬底，所述的金属阳极或金属阴极由具有构造光学微腔的高折射率金属制成，所述活性层由钙钛矿光活性材料制成。采用宽光谱吸收的钙钛矿单晶，结合“电荷收集变窄效应”和光学微腔增强效应，利用柔性衬底的横向拉伸及其回复特性，实现不同窄带波段的高性能的光响应和光谱分析。

Description

一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏器件领域，尤其涉及一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器及其制备方法。
背景技术
钙钛矿材料因为其优异的光电性质，如吸收系数高、禁带宽度可调节、电子迁移率和空穴迁移率高、激子结合能低、载流子扩散长度长、材料价格低廉以及兼容溶液法等，已经被广泛用于发光二极管、太阳能电池、激光器、探测器等光电器件领域。
窄带探测器具有颜色分辨的能力，在生物医学成像，机器视觉等领域都有着重要的应用。目前窄带探测器的制造通常需要用到昂贵的光学滤波片或者对材料进行特殊的处理，增加了制作成本和难度。如果不采用光学滤波器，通常有三种方法实现窄带探测，包括窄带吸收活性材料、基于电荷转移吸收效应以及基于电荷收集变窄效应的3种手段。但是由于窄带吸收材料有限，制备的窄带探测器有限。而基于“电荷转移吸收效应”制备的窄带光探测器，由于电荷转移吸收较少，器件外量子效率一般低于10％。而对于基于“电荷收集变窄效应”制备的窄带探测器，由于牺牲了光吸收较强波段的载流子，使得器件的光响应很低，一般外量子效率低于20％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器；采用宽光谱吸收的钙钛矿单晶，结合“电荷收集变窄效应”和光学微腔增强效应，利用柔性衬底的横向拉伸及其回复特性，实现不同窄带波段的高性能的光响应和光谱分析。
本发明的另外一个目的在于提供一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，所述探测器从下到上依次设置有衬底、金属阳极、第一空穴传输层、活性层、第二空穴传输层、金属阴极，所述衬底为柔性衬底，所述的金属阳极或金属阴极由具有构造光学微腔的高折射率金属制成，所述活性层由钙钛矿光活性材料制成。
优选地，所述金属阳极或金属阴极厚度均为10-200nm，钙钛矿光活性层厚度为400-2000nm。
优选地，第一空穴传输层或第二空穴层厚度均为40-80nm。
优选地，所述钙钛矿光活性材料为有机、无机杂化ABX3型立方晶系结构，其中A为有机胺基团；B为第四主族金属；X为一元卤族元素或多元卤族元素的组合。
进一步的，所述有机胺基团为CH3NH3 +1(MA+1)、CH(NH2)2 +1、Cs+1中的一元或多元组合。
优选地，所述柔性衬底为聚合物柔性衬底、金属衬底、超薄玻璃以及纸衬底中的任意一种或几种。
进一步的，所述柔性衬底为聚酰亚胺(polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate，PEN)、聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)等，本发明柔性衬底优选PI和PDMS。
优选地，所述高折射率金属为Au、Cu、Ag、Pt中的任意一种或几种组合。本发明电极优选高折射率的金Au和银Ag。
第一、第二空穴传输层也可以为第一、第二电子传输层，采用空穴传输特性良好化学、稳定性好的有机聚合物材料，例如聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4'-(N-(4-正丁基)苯基)-二苯胺)](TFB)、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](poly-TPD)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)等的一种或多种组合。本发明空穴传输材料优选聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]PTAA。
优选地，所述探测器还包括覆盖层，所述覆盖层主要由TeO2材料制备得到。
一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗；
步骤2：将干燥处理的柔性衬底固定在刚性基板上进行，传送进入真空蒸发室，依次蒸镀金属电极和载流子传输层；
步骤3：将步骤2得到的基板冷却后放入手套箱，其上采用一步法或者两步法旋涂权利要求2或3所述钙钛矿前驱体溶液，然后进行退火处理；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层，然后进行退火处理；
步骤5：将步骤4退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀金属阴极和覆盖层。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明中采用宽带隙吸收的钙钛矿材料实现超窄带的光探测性能，缓解了窄带探测器对光活性材料的要求，同时钙钛矿作为一种离子型材料，原材料丰富、价格低廉、制备工艺简单，有利于实现产业化应用；
(2)本发明中采用高折射率的金属材料作为电极，构造光学微腔，利用光学微腔调控器件的光场分布和内部载流子传输路径。相比于传统基于“收集电荷变窄效应”的光探测器件，该发明能有效增强目标波段的光吸收，进而大幅度提高器件的光响应能力，制备高灵敏度的窄带探测器；
(3)本发明中采用柔性衬底材料作为基板，能通过横向拉伸或者纵向压缩的方式改变光学微腔之间的光路长短，简单有效地实现不同目标波段的光学吸收增强，因此可在此单一器件上实现动态探测和光谱分析等功能。
附图说明
图1为本发明钙钛矿光探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1的光探测结果示意图；
图3为本发明实施例2的光探测结果示意图。
图中标记：1-柔性衬底，2-金属阳极，3-第一空穴传输层，4-钙钛矿光活性层，5-第二空穴传输层，6-金属阴极，7-覆盖层，8-外加电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器从下至上依次为：
PDMS substrate/Ag(80nm)/PTAA(40nm)/MAPbI3(550nm)/PC61BM(40nm)/Au(10nm)/TeO2(20nm)；
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗；
步骤2：将干燥处理的柔性衬底固定在刚性基板上进行，传送进入真空蒸发室，依次蒸镀80nm的Ag作为阳极和40nm的第一空穴传输层PTAA；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.38mol的MAPbI3溶解在1mL的二甲基甲酰胺中)，然后在120℃下进行退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂第二空穴传输层PC61BM(以20mg/mL的浓度溶解在氯苯里)，然后在120℃进行退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照器件结构蒸镀10nm的Au作为阴极和20nm的覆盖层TeO2。
实施例1制备的为器件A。
由图2可知，横向拉伸1cm、3cm和5cm后，可以发现实施例1制备的器件能实现不同波段的窄带探测。
实施例2
一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器从下至上依次为：
PDMS substrate/Ag(80nm)/PTAA(40nm)/FAPbI2Br(550nm)/PC61BM(40nm)/Au(10nm)/TeO2(20nm)；
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗；
步骤2：将干燥处理的柔性衬底固定在刚性基板上进行，传送进入真空蒸发室，依次蒸镀80nm的Ag作为阳极和40nm的第一空穴传输层PTAA；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.65mol的FAPbI2Br溶解在1mL的二甲基甲酰胺中)，然后在120℃下进行退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂第二空穴传输层PC61BM(以20mg/mL的浓度溶解在氯苯里)，然后在120℃进行退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照器件结构蒸镀10nm的Au作为阴极和20nm的覆盖层TeO2。
实施例2制备的为器件B。
由图3可知，横向拉伸1cm、3cm和5cm后，可以发现实施例2制备的器件能实现不同波段的窄带探测。
实施例3
一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器从下至上依次为：
PDMS substrate/Ag(80nm)/PTAA(40nm)/CsSnI3(550nm)/PC61BM(40nm)/Au(10nm)/TeO2(20nm)；
制备方法步骤如下：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗；
步骤2：将干燥处理的柔性衬底固定在刚性基板上进行，传送进入真空蒸发室，依次蒸镀80nm的Ag作为阳极和40nm的第一空穴传输层PTAA；
步骤3：将冷却后的基片放入手套箱，以3000转每分的转速旋涂钙钛矿前驱体40秒(1.30mol的FAPbI2Br溶解在1mL的二甲基甲酰胺中)，然后在120℃下进行退火处理10分钟；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂第二空穴传输层PC61BM(以20mg/mL的浓度溶解在氯苯里)，然后在120℃进行退火处理20分钟；
步骤5：将退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀10nm的Au作为阴极和20nm的覆盖层TeO2。
实施例3制备的为器件C。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，所述探测器从下到上依次设置有衬底、金属阳极、第一空穴传输层、活性层、第二空穴传输层、金属阴极，其特征在于，所述衬底为柔性衬底，所述的金属阳极或金属阴极由具有构造光学微腔的高折射率金属制成，所述活性层由钙钛矿光活性材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述金属阳极或金属阴极厚度均为10-200nm，钙钛矿光活性层厚度为400-2000nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，第一空穴传输层或第二空穴层厚度均为40-80nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述钙钛矿光活性材料为有机、无机杂化ABX3型立方晶系结构，其中A为有机胺基团；B为第四主族金属；X为一元卤族元素或多元卤族元素的组合。
5.根据权利要求4所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述有机胺基团为CH3NH3 +1(MA+1)、CH(NH2)2 +1、Cs+1中的一元或多元组合。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述柔性衬底为聚合物柔性衬底、金属衬底、超薄玻璃以及纸衬底中的任意一种或几种。
7.根据权利要求6所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述柔性衬底为PI、PET、PEN和PDMS中的任意一种或几种。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，其特征在于，所述高折射率金属为Au、Cu、Ag、Pt中的任意一种或几种组合。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器，所述探测器还包括覆盖层，所述覆盖层主要由TeO2材料制备得到。
10.一种基于光学微腔的柔性钙钛矿探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：依次采用洗涤剂、丙酮、去离子水以及异丙醇溶液对柔性衬底进行超声清洗；
步骤2：将干燥处理的柔性衬底固定在刚性基板上进行，传送进入真空蒸发室，依次蒸镀金属电极和载流子传输层；
步骤3：将步骤2得到的基板冷却后放入手套箱，其上采用一步法或者两步法旋涂权利要求4或5所述钙钛矿前驱体溶液，然后进行退火处理；
步骤4：在钙钛矿光活性层上旋涂电子传输层，然后进行退火处理；
步骤5：将步骤4退火处理后的基片传入真空蒸发室依次按照二极管器件结构蒸镀金属阴极和覆盖层。
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