CN111490165A - 一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器及其制备方法。一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，从下至上依次包括玻璃基板、透明导电电极层、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极层，所述钙钛矿活性层的原料组成包括典型卤素钙钛矿材料，卤素替代固溶体钙钛矿材料，一价阳离子替代的钙钛矿材料，金属替代固溶体钙钛矿材料，以及二维钙钛矿材料这5类材料中的任意一种或多种。本发明提供了一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器及其制备方法，成功解决了钙钛矿光电探测器的半波峰宽大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种通过光电效应来检测和测量光性质的装置，通常表现为光电流，通过电流可以推算得到所探测光波的相应信息。光电探测器的广泛地应用在各个方面，包括监控成像，测绘探测，环境监控和生化医疗等。目前光探测器主要分成四个大类，即有机材料探测器，无机材料探测器，量子点材料探测器，钙钛矿材料探测器。尽管前三类探测器的技术以及较为成熟，但是具有制作工艺较为复杂，成本较高，驱动电压高等问题，限制了其更为广泛的应用与技术革新。而有机-无机卤化物钙钛矿材料以其高电荷载流子迁移率，高光吸收系数，可溶液制备，制作成本低等特点，在光探测器应用方面有着巨大的前景，目前已成为世界各课题组主要研究的内容之一。
目前钙钛矿可见光探测器的发展瓶颈除了稳定性差、寿命短外，其半波峰宽较大也是一个亟待解决的问题。由于半波峰宽较大，当探测器探测某一较窄波长范围内的光波如黄光时，由于黄光波长范围为577nm～597nm，所需要精确探测黄光的探测器半波峰宽就只有20nm，而半波峰宽较大的探测器对某一较窄波长范围内的光波无法实现精确探测。
发明内容
本发明的目的在于：为解决钙钛矿光电探测器的半波峰宽大的问题，提供了一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器及其制备方法。
本发明的技术方案是构造一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，从下至上依次包括玻璃基板、透明导电电极层、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极层，所述钙钛矿活性层的原料组成包括化学式为ABM3的典型卤素钙钛矿材料，化学式为ABM1 xM2 3-x(0＜x＜3)的卤素替代固溶体钙钛矿材料，化学式为A1 yA2 1-yBM(0＜y＜1)的一价阳离子替代的钙钛矿材料，化学式为AB1 zB2 1-zM(0＜z＜1)的金属替代固溶体钙钛矿材料，以及二维钙钛矿材料这5类材料中的任意一种或多种，其中，A、A1、A2为一价非配位阳离子，包括Cs、CH3NH3、C(NH2)2；B、B1、B2为二价P区金属，包括Pb、Sn、Ge；M、M1、M2为与金属配位的卤素阴离子，包括F、Cl、Br、I。
优选地，所述钙钛矿活性层的厚度为600nm～2000nm，其能带差为0.1～1eV。
优选地，所述透明导电电极层的原料为氧化铟锡、金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，且其厚度为2～30nm。
优选地，所述空穴传输层的原料组成为PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm(m＝2或4)中的任意一种。
优选地，所述电子传输层的原料组成为PC61BM、TiO2和ZnO中的任意一种。
优选地，所述空穴阻挡层的原料组成为C60，ZnO，BCP和Al2O3中的任意一种。
优选地，所述金属电极层的原料为金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜的任意一种，且其厚度为50～100nm。
本发明还提供一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)：在透明导电电极层上旋涂一层空穴传输层，退火备用；
2)：配置钙钛矿前驱体溶液；
3)：将钙钛矿前驱体溶液旋涂于空穴传输层上，形成钙钛矿活性层；
4)：将PC61BM溶液旋涂于钙钛矿活性层上，形成电子传输层；
5)：在电子传输层依次蒸镀空穴阻挡层和金属电极层；
6)：再用光照射玻璃基板和金属电极层。
优选地，所述金属电极层为银电极层。
优选地，所述钙钛矿前驱体溶液内掺杂有罗丹明、聚乙氧基乙烯亚胺、ZnS、BaS、CaS、CaWO3、Ca3(PO4)2、Zn2SiO4和Y3SiO3中的任意一种。
本发明有益效果：
1.本发明通过利用光学微腔效应，使得器件可以得到可见/近红外波段的窄带探测性能。
2.本发明通过利用可拉伸柔性衬底，可以通过将可拉伸柔性衬底拉伸至不同长度，进而改变器件的厚度，即可改变光学微腔的厚度，通过调节光学微腔的厚度来实现不同波段的探测，进而实现对于不同波段的动态探测能力。
3.本发明通过利用可弯曲柔性衬底，可以通过将可弯曲柔性衬底按不同曲率半径弯曲，进而改变器件的厚度，即可改变光学微腔的厚度，通过调节光学微腔的厚度来实现不同波段的探测，进而实现对于不同波段的动态探测能力。
4.本发明中，有机光电探测器的结构独特，通过结合简单高效的旋涂工艺，具有良好的探测能力，对于有机光电探测器以及其他领域的探测器的大规模工业制备具有指导意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
附图序号说明：
1-玻璃基板，2-透明导电电极层，3-空穴传输层，4-钙钛矿活性层，5-电子传输层，6-空穴阻挡层，7-金属电极层，8-光线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照说明书附图中的图1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。
需要说明的是，当元件被认为是“设置”或“连接”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本发明。
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。
实施例1
一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，包括玻璃基板1，所述玻璃基板上镀有透明导电电极层2，所述透明导电电极层2自下而上依次旋涂有空穴传输层3、钙钛矿活性层4、电子传输层5，所述电子传输层5自下而上依次镀有空穴阻挡层6和金属电极层7。
其中，所述透明导电电极层2采用厚度为150nm的ITO透明导电电极。
空穴传输层3采用厚度为90nm的PEDOT:PSS薄膜。
钙钛矿活性层4采用厚度为1000nm的CH3NH3PbBr1.5I1.5。
电子传输层5采用厚度为100nm的PC61BM。
空穴阻挡层6采用厚度为60nm的C60薄膜。
金属电极层7采用厚度为1nm的LiF和100nm的银电极。
一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器的制备方法，包括以下制备步骤：
1)：对透明导电电极层2进行清洗及进行UV处理：将镀有透明导电电极层2的玻璃基板1依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干，再将第一透明导电电极层放入臭氧机中进行UV处理10min；
2)：旋涂空穴传输层3：在经过臭氧处理之后的透明导电电极层2上旋涂一层空穴传输层3PEDOT:PSS，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min；
3)：配置钙钛矿前驱体溶液：将甲胺铅碘溶解在DMF(N-N二甲基甲酰胺)溶液中，并且掺杂7％质量比的RhodamineB，在100℃下搅拌6h后，分别得到三种不同配比的掺杂了RhodamineB的钙钛前驱体溶液：CH3NH3PbI3；
4)：制备钙钛矿活性层4：将已经旋涂了空穴传输层3的玻璃基板和钙钛矿前驱体溶液在100℃下预热，用旋涂仪吸取钙钛前驱体溶液旋涂在玻璃基板1表面，然后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1h，待钙钛矿晶体完全结晶后，转移至玻璃培养皿中冷却；
5)：旋涂电子传输层5：用旋涂仪吸取PC61BM溶液，在钙钛矿活性层4退火完的表面旋涂上述溶液，控制转速为1600rpm，时间为35s。在旋涂后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1h，转移至玻璃培养皿中冷却；
6)：蒸镀空穴阻挡层6：将玻璃基板1转移至真空蒸镀设备，在真空度小于5.0×10- 5Pa的环境下蒸镀一层C60，然后在氮气环境下冷却30min；
7)：蒸镀金属电极层7：再将玻璃基板1转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层LiF。再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极；
8)：从光源处引出光束，并使入射光线8垂直入射光电探测器的玻璃基板1和金属电极层7。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在700nm处具有窄带探测能力，半波峰宽为40nm，其探测率为5.6～1012Jones；从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在400nm-800nm处具有宽带探测能力，其探测率为5.6～1012Jones。
所述探测器通的玻璃基板1和金属电极层7被光垂直照射后，分别得到宽带和窄带探测性能。由于钙钛矿活性层4的空穴传输能力远大于电子传输能力，当从玻璃基板1一侧入射时，空穴传输距离大于电子传输距离，电子-空穴复合损耗大，向两端传输不平衡，器件外量子效率较低，便有电荷窄化吸收效应，此时探测器具有窄带探测性能；当从金属电极层7一侧入射时，空穴传输距离小于电子传输距离，电子-空穴复合损耗小，向两端传输较为平衡，器件外量子效率较高，便没有电荷窄化吸收效应便没有电荷窄化吸收效应，此时探测器具有宽带探测性能。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，将钙钛矿活性层4换为CH3NH3PbI2Br1。
将甲胺铅碘与甲胺铅溴按照2:1的摩尔比溶解在DMF(N-N二甲基甲酰胺)溶液中，并且掺杂7％质量比的RhodamineB，在100℃下搅拌6h后，分别得到三种不同配比的掺杂了RhodamineB的钙钛前驱体溶液：CH3NH3PbI2Br1。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在650nm处具有窄带探测能力，半波峰宽为35nm，其探测率为5.6～1012Jones；从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在400nm-800nm处具有宽带探测能力，其探测率为5.6～1012Jones。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，将钙钛矿活性层4换为CH3NH3PbI1.5Br1.5。
将甲胺铅碘与甲胺铅溴按照1:1的摩尔比溶解在DMF(N-N二甲基甲酰胺)溶液中，并且掺杂7％质量比的RhodamineB，在100℃下搅拌6h后，分别得到三种不同配比的掺杂了RhodamineB的钙钛前驱体溶液：CH3NH3PbI2Br1。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在620nm处具有窄带探测能力，半波峰宽为30nm，其探测率为5.6～1012Jones；从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射钙钛矿光电探测器，测试结果为钙钛矿光电探测器在400nm～700nm处具有宽带探测能力，其探测率为5.6～1012Jones。
Claims (10)
1.一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，从下至上依次包括玻璃基板(1)、透明导电电极层(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿活性层(4)、电子传输层(5)、空穴阻挡层(6)和金属电极层(8)，其特征在于，所述钙钛矿活性层(4)的原料组成包括化学式为ABM3的典型卤素钙钛矿材料，化学式为ABM1 xM2 3-x(0＜x＜3)的卤素替代固溶体钙钛矿材料，化学式为A1 yA2 1- yBM(0＜y＜1)的一价阳离子替代的钙钛矿材料，化学式为AB1 zB2 1-zM(0＜z＜1)的金属替代固溶体钙钛矿材料，以及二维钙钛矿材料这5类材料中的任意一种或多种，其中，A、A1、A2为一价非配位阳离子，包括Cs、CH3NH3、C(NH2)2；B、B1、B2为二价P区金属，包括Pb、Sn、Ge；M、M1、M2为与金属配位的卤素阴离子，包括F、Cl、Br、I。
2.根据权利要求1所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述钙钛矿活性层(4)的厚度为600nm～2000nm，其能带差为0.1～1eV。
3.根据权利要求2所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述透明导电电极层(2)的原料为氧化铟锡、金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，且其厚度为2～30nm。
4.根据权利要求1所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述空穴传输层(3)的原料组成为PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiOm(m＝2或4)中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述电子传输层(5)的原料组成为PC61BM、TiO2和ZnO中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述空穴阻挡层(6)的原料组成为C60，ZnO，BCP和Al2O3中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述金属电极层(8)的原料为金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜的任意一种，且其厚度为50～100nm。
8.一种基于电荷窄化收集效应的双功能探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)：在透明导电电极层(2)上旋涂一层空穴传输层(3)，退火备用；
2)：配置钙钛矿前驱体溶液；
3)：将钙钛矿前驱体溶液旋涂于空穴传输层(3)上，形成钙钛矿活性层(4)；
4)：将PC61BM溶液旋涂于钙钛矿活性层(4)上，形成电子传输层(5)；
5)：在电子传输层依次蒸镀空穴阻挡层(6)和金属电极层(8)；
6)：再用光照射玻璃基板(1)和金属电极层(8)。
9.根据权利要求8所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述金属电极层(8)为银电极层。
10.根据权利要求8所述的基于电荷窄化收集效应的双功能探测器，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液内掺杂有罗丹明、聚乙氧基乙烯亚胺、ZnS、BaS、CaS、CaWO3、Ca3(PO4)2、Zn2SiO4和Y3SiO3中的任意一种。
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