CN111933807B - 一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电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添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器及其制备方法，属于钙钛矿光伏器件和光电探测器件领域，包括钙钛矿光活性层，钙钛矿光活性层先通过旋涂法制备钙钛矿光活性层前体，再在钙钛矿光活性层前体上滴加掺入有质量体积为2.5‑10mg/ml的3TT‑FIC的反溶剂，退火，即可得到钙钛矿光活性层。通过添加剂3TT‑FIC光电试剂处理工艺制备钙钛矿薄膜，使钙钛矿晶粒的生长更加均匀，形成尺寸相近的晶粒，增加薄膜的均匀性，提高载流子传输速度；同时添加剂处理工艺可以减小钙钛矿晶粒之间的间隙，减少晶粒之间的缺陷，从而降低载流子复合几率，利于载流子的传输，减少性能迟滞，降低暗电流密度；提高钙钛矿层隔绝水氧的能力，提高器件的稳定性。

Description

一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器及其 制备方法
技术领域
本发明属于钙钛矿光伏器件和光电探测器件领域，具体涉及一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器及其制备方法。
背景技术
光是电磁辐射的一种形式，光辐射对人类活动有着巨大影响，感知并测量光信号对于我们的日常生活与社会生产有着重要的意义，因此人们开始了对能够准确测量光辐射信号的光电探测器的研究。光电探测器属于光电转换器件，能够利用光电效应，将携带能量的电磁辐射的光信号转换成精确的电信号的光电器件，通常是光电流或光电电压。高性能光电探测在科学界和工业界都具有重要意义，宽光谱光电探测器在视频成像、光通信、火灾探测、生物医学成像、环境监测、空间探索、安全、夜视和运动检测等领域有着重要的应用。
然而，传统的无机光电探测器制作工艺比较复杂，成本普遍较高，且探测波段不易调节。而钙钛矿材料具有高效的感光特性，质轻价廉，种类多样，加工性能优异等特点，更易制备低功耗，低成本的光电探测器件，弥补了传统光电探测器中普遍存在的成本昂贵、工艺复杂等不足。带隙可调的钙钛矿材料也为不同探测波段的光电探测器件的发展和创新提供了很大的可选择性，钙钛矿光电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，对于钙钛矿光电探测器的研究尽管已经取得一定进展，已经发展出由衬底、导电阳极、空穴传输层、钙钛矿光活性层，电子传输层、空穴阻挡层及金属阴极组成的多层叠合的主流结构，但仍存在器件稳定性差，寿命短，易受水氧侵蚀与紫外辐射干扰等问题。另外，标准器件的暗电流仍然较高，导致器件的整体探测效率较为低下。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器及其制备方法，提升了钙钛矿光电探测器的稳定性与工作寿命及提升了钙钛矿光电探测器的探测性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，包括钙钛矿光活性层，钙钛矿光活性层先通过旋涂法制备钙钛矿光活性层前体，再在钙钛矿光活性层前体上滴加掺入有质量体积为2.5-10mg/ml的3TT-FIC的反溶剂，退火，即可得到钙钛矿光活性层。
本发明通过将3TT-FIC溶于反溶剂中作为一步法旋涂活性层的反溶剂，改善了原钙钛矿活性层和电子传输层的表面形貌，使得原本的介孔状界面变得均匀致密，从而使器件具有较好的阻隔水氧与抗紫外线能力，提升了钙钛矿光电探测器的稳定性与工作寿命；同时，使得电子传输层的载流子传输能力得以改善，减少了器件工作中的漏电流，从而大幅降低暗电流，最终提升了钙钛矿光电探测器的探测性能。
其中3TT-FIC为3TT-FIC光电试剂的缩写。
优选的，所述反溶剂中掺入质量体积为2.5mg/ml、5mg/ml、7.5mg/ml或10mg/ml的3TT-FIC。
优选的，所述反溶剂为卤化苯，包括氯苯或溴苯。
优选的，所述钙钛矿光活性层为CH3NH3PbI3钙钛矿结构薄膜，厚度范围为250～400nm。
优选的，所述钙钛矿光电探测器还包括依次设置在钙钛矿光活性层上层的电子传输层，金属阴极，依次设置在钙钛矿光活性层下层的空穴传输层、透明导电ITO阳极及衬底。
优选的，所述空穴传输层为有机小分子材料TAPC，厚度范围为5～20nm；所述电子传输层为PC61BM，厚度范围为5～20nm；所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，厚度范围为100～200nm；
优选的，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂和聚丙烯酸的一种或多种。
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)对由透明衬底及透明导电ITO阳极所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2)将配制好的TAPC溶液旋涂至基板上，并将旋涂后的基板进行热退火处理，得到空穴传输层；
3)在空穴传输层上旋涂CH3NH3PbI3前驱体溶液制得钙钛矿光活性层前体，再在钙钛矿光活性层前体上滴加掺入质量体积为2.5-10mg/ml的3TT-FIC的反溶剂，退火得到钙钛矿光活性层；
4)在钙钛矿光活性层上旋涂PC61BM溶液，得到电子传输层；
5)在电子传输层上蒸镀金属阴极，得到金属阴极。
优选的，步骤(2)所述热退火的温度在115-125℃，时间范围为15-25min。
优选的，步骤(3)所述热退火的温度在105-115℃，时间范围为15-25min。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过添加剂3TT-FIC光电试剂处理工艺制备钙钛矿薄膜，使钙钛矿晶粒的生长更加均匀，形成尺寸相近的晶粒，增加薄膜的均匀性，提高载流子传输速度；同时添加剂处理工艺可以减小钙钛矿晶粒之间的间隙，减少晶粒之间的缺陷，从而降低载流子复合几率，利于载流子的传输，减少性能迟滞，降低暗电流密度；
(2)本发明添加剂3TT-FIC处理工艺制备的钙钛矿薄膜更加均匀致密，可以隔绝从电子传输层渗透进来的水氧，提高钙钛矿层隔绝水氧的能力，提高器件的稳定性，更加利于工业化生产。
附图说明
图1是本发明一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的结构示意图；
图2是对照组(左)与实施例3(右)的钙钛矿活性层SEM表面形貌图。
图中标记为：1-衬底，2-透明导电ITO阳极，3-空穴传输层，4-钙钛矿光活性层，5-电子传输层，6-金属阴极。
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，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。
实施例1
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，该光电探测器采用正型结构，从下到上依次为：衬底，透明导电ITO阳极，空穴传输层，钙钛矿光活性层，电子传输层，金属阴极；所述的添加剂处理工艺为，在钙钛矿薄膜一步法旋涂过程中，引入3TT-FIC作为添加剂溶于反溶剂中，并将该溶液作为一步法旋涂的反溶剂；退火，即得到钙钛矿光电探测器。
对照组
对表面粗糙度小于1nm的由透明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表面旋转涂覆TAPC溶液(TAPC溶液浓度是5mg/ml，溶剂为氯苯，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s)制备空穴传输层(10nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤热退火(120℃,20min)；在空穴传输层上一步法旋涂(以DMF为溶剂混合形成溶质浓度为800mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s)制备CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层(350nm)，旋涂后向钙钛矿活性层迅速滴加氯苯溶液以抑制钙钛矿的无序结晶，然后在110℃温度下退火20min；在光活性层表面旋涂(以氯苯为溶剂，浓度为20mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s，厚度15nm)制备PC61BM电子传输层(20nm)；在电子传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：器件对300-800nm波段有响应，器件最高探测率为1.1×1012Jones，最高响应度为1.06A/W，在-0.5V偏压条件下，亮电流密度为19.2mA/cm2，暗电流密度为7.2×10-5mA/cm2。
实施例2
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由透明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表面旋转涂覆TAPC溶液(TAPC溶液浓度是5mg/ml，溶剂为氯苯，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s)制备空穴传输层(10nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤热退火(120℃,20min)；在空穴传输层上一步法旋涂(以DMF为溶剂混合形成溶质浓度为800mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s)制备CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层(350nm)，旋涂后向钙钛矿活性层迅速滴加2.5mg/ml的3TT-FIC溶液(溶剂为氯苯)以抑制钙钛矿的无序结晶，然后在110℃温度下退火20min；在光活性层表面旋涂(以氯苯为溶剂，浓度为20mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s，厚度15nm)制备PC61BM电子传输层(20nm)；在电子传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：器件对300-800nm波段有响应，器件最高探测率为1.5×1012Jones，最高响应度为1.01A/W，在-0.5V偏压条件下，亮电流密度为17.5mA/cm2，暗电流密度为3.4×10-5mA/cm2。
实施例3
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由透明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表面旋转涂覆TAPC溶液(TAPC溶液浓度是5mg/ml，溶剂为氯苯，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s)制备空穴传输层(10nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤热退火(120℃,20min)；在空穴传输层上一步法旋涂(以DMF为溶剂混合形成溶质浓度为800mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s)制备CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层(350nm)，旋涂后向钙钛矿活性层迅速滴加5mg/ml的3TT-FIC溶液(溶剂为氯苯)以抑制钙钛矿的无序结晶，然后在110℃温度下退火20min；在光活性层表面旋涂(以氯苯为溶剂，浓度为20mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s，厚度15nm)制备PC61BM电子传输层(20nm)；在电子传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：器件对300-800nm波段有响应，器件最高探测率为2.2×1012Jones，最高响应度为1.05A/W，在-0.5V偏压条件下，亮电流密度为18.9mA/cm2，暗电流密度为2.2×10-5mA/cm2。
实施例4
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由透明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表面旋转涂覆TAPC溶液(TAPC溶液浓度是5mg/ml，溶剂为氯苯，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s)制备空穴传输层(10nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤热退火(120℃,20min)；在空穴传输层上一步法旋涂(以DMF为溶剂混合形成溶质浓度为800mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s)制备CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层(350nm)，旋涂后向钙钛矿活性层迅速滴加7.5mg/ml的3TT-FIC溶液(溶剂为氯苯)以抑制钙钛矿的无序结晶，然后在110℃温度下退火20min；在光活性层表面旋涂(以氯苯为溶剂，浓度为20mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s，厚度15nm)制备PC61BM电子传输层(20nm)；在电子传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：器件对300-800nm波段有响应，器件最高探测率为2.9×1012Jones，最高响应度为1.08A/W，在-0.5V偏压条件下，亮电流密度为20.2mA/cm2，暗电流密度为8.2×10-6mA/cm2。
实施例5
一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，包括以下步骤：对表面粗糙度小于1nm的由透明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表面旋转涂覆TAPC溶液(TAPC溶液浓度是5mg/ml，溶剂为氯苯，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s)制备空穴传输层(10nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤热退火(120℃,20min)；在空穴传输层上一步法旋涂(以DMF为溶剂混合形成溶质浓度为800mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s)制备CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层(350nm)，旋涂后向钙钛矿活性层迅速滴加10mg/ml的3TT-FIC溶液(溶剂为氯苯)以抑制钙钛矿的无序结晶，然后在110℃温度下退火20min；在光活性层表面旋涂(以氯苯为溶剂，浓度为20mg/mL的混合溶液使用，旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为40s，厚度15nm)制备PC61BM电子传输层(20nm)；在电子传输层上蒸镀金属阳极Ag(100nm)。在标准测试条件下：器件对300-800nm波段有响应，器件最高探测率为1.7×1012Jones，最高响应度为1.01A/W，在-0.5V偏压条件下，亮电流密度为19.4mA/cm2，暗电流密度为6.8×10-6mA/cm2。
在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，基于不同浓度添加剂处理工艺所制备出的器件性能(结果见表1)。通过表1可以看出，通过添加剂处理工艺，能够有效提升钙钛矿光电探测器的亮电流密度和响应度，还能降低暗电流密度，从而提升器件的探测率。
表1为钙钛矿光电探测器的性能测试表
Figure BDA0002656207100000061
通过表1及图2可知：通过3TT-FIC添加剂处理工艺制备得到的钙钛矿光电探测器(如实施例3制备而成的钙钛矿光电探测器)相比于未使用3TT-FIC添加剂处理工艺制备得到的钙钛矿光电探测器(如对照组制备而成的钙钛矿光电探测器)，其亮电流密度变大，暗电流密度减小，响应度提升，从而探测率提高，这是由于通过添加剂处理可以是使钙钛矿的结晶更加规律性。且添加剂处理工艺制备钙钛矿薄膜，使钙钛矿晶粒的生长更加均匀，形成尺寸相近的晶粒，增加薄膜的均匀性，减小钙钛矿晶粒之间的间隙，减少晶粒之间的缺陷，从而降低载流子复合几率，利于载流子的传输提高载流子传输速度，减少性能迟滞，降低暗电流密度。同时，基于添加剂处理工艺制备的钙钛矿薄膜更加均匀致密(如图2)，可以隔绝从电子传输层渗透进来的水氧，提高钙钛矿层隔绝水氧的能力，提高器件的稳定性，更加利于工业化生产。
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)

1.一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，包括钙钛矿光活性层，其特征在于，钙钛矿光活性层先通过旋涂法制备钙钛矿光活性层前体，再在钙钛矿光活性层前体上滴加掺入有质量体积为2.5-10 mg/ml的3TT-FIC的反溶剂，退火，即可得到钙钛矿光活性层。
2.根据权利要求1所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述反溶剂中掺入质量体积为2.5mg/ml、5mg/ml、7.5mg/ml或10 mg/ml的3TT-FIC。
3.根据权利要求1所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述反溶剂为卤化苯，包括氯苯或溴苯。
4.根据权利要求1所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿光活性层为CH3NH3PbI3钙钛矿结构薄膜，厚度范围为250～400 nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述钙钛矿光电探测器还包括依次设置在钙钛矿光活性层上层的电子传输层，金属阴极，依次设置在钙钛矿光活性层下层的空穴传输层、透明导电ITO阳极及衬底。
6.根据权利要求5所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述空穴传输层为有机小分子材料TAPC，厚度范围为5~20nm；所述电子传输层为PC61BM，厚度范围为5～20 nm；所述金属阴极材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，厚度范围为100～200 nm。
7.根据权利要求5所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器，其特征在于，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂和聚丙烯酸的一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对由透明衬底及透明导电ITO阳极所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2) 将配制好的TAPC溶液旋涂至基板上，并将旋涂后的基板进行热退火处理，得到空穴传输层；
3)在空穴传输层上旋涂CH3NH3PbI3前驱体溶液制得钙钛矿光活性层前体，再在钙钛矿光活性层前体上滴加掺入质量体积为2.5-10 mg/ml的3TT-FIC的反溶剂，退火得到钙钛矿光活性层；
4)在钙钛矿光活性层上旋涂PC61BM溶液，得到电子传输层；
5)在电子传输层上蒸镀金属阴极，得到金属阴极。
9.根据权利要求8所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述热退火的温度在115-125℃，时间范围为15-25min。
10.根据权利要求8所述的一种基于添加剂处理制备的高稳定性钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述热退火的温度在105-115℃，时间范围为15-25min。
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CN113410399A (zh) * 2021-06-15 2021-09-17 南方科技大学 一种利用反溶剂一步法制备钙钛矿薄膜的方法
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"A New Nonfullerene Acceptor with Near Infrared Absorption for High Performance Ternary-Blend Organic Solar Cells with Efficiency over 13%";Huan-Huan Gao等;《advanced science》;20180630;第5卷(第6期);1800307（1-6页） *

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