CN113029338B - 光谱分辨探测组件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱分辨探测组件及制备方法，属于光谱分辨探测和成像技术领域，能够解决现有光谱探测器探测成本较高，工艺较为复杂，无法实现任意波长区分探测的问题。所述光谱分辨探测组件包括：基底和设置在基底上的多个探测结构；多个探测结构规则排布；不同探测结构由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成；不同探测结构的吸收边波长不同。本发明用于制作光谱仪器件、多光谱成像器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱分辨探测组件及制备方法，属于光谱分辨探测和成像技术领域。
背景技术
钙钛矿作为一种性能优异的光电转换材料，在太阳能电池和探测器上得到了广泛的应用，钙钛矿的组分主要取决于卤族元素的类型和配比，其组分会影响钙钛矿材料的带隙，因而可以通过调节钙钛矿的组分来实现钙钛矿带隙可调的特性，进而调节钙钛矿的吸收光谱和透过光谱，实现多波长探测器的制备。
目前，现有的钙钛矿探测器都是基于同种材料的单色成像探测，无法区分所探测到的光谱，若要实现光谱分辨的探测，需要和现有的硅基器件一样外加滤光片，成本较高，制备工艺较为复杂，且滤光片的可选波长较少，无法实现任意波长的区分探测。
发明内容
本发明提供了一种光谱分辨探测组件及制备方法，能够解决现有光谱探测器探测成本较高，制备工艺较为复杂，无法实现任意波长区分探测的问题。
本发明提供了一种光谱分辨探测组件，包括：基底和设置在所述基底上的多个探测结构；多个所述探测结构规则排布；不同所述探测结构由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成；不同所述探测结构的吸收边波长不同。
可选的，所述钙钛矿前驱体溶液包括第一溶质、第二溶质和溶剂；所述第一溶质的化学通式为AX；其中，A为CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种；所述第二溶质的化学通式为BX2；B为Pb、Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙酸乙酯、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、氯仿、丙酮中的至少一种。
可选的，每个所述探测结构上设置有包围所述探测结构的封装结构，所述封装结构的制作材料为高分子材料或高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料。
可选的，所述封装结构为凸透镜形状。
可选的，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、透明ABS塑料、聚丙烯腈、聚烯烃弹性体、热塑性聚氨酯、聚乙烯咔唑中的至少一种；所述半导体纳米材料的化学通式为A3B2X9、ABX3、A2BX6中的至少一种；其中，A选自CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；B选自Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种。
可选的，所述半导体纳米材料的固含量为2wt.％-99wt.％。
可选的，所述探测组件应用于光谱仪器件或多光谱成像器件。
本发明还提供了一种光谱分辨探测组件的制备方法，所述制备方法包括：配置多种不同组分的钙钛矿前驱体溶液；将多种所述钙钛矿前驱体溶液转移至基底上，形成规则排布的多个探测结构；不同所述探测结构的吸收边波长不同。
可选的，多种所述钙钛矿前驱体溶液可以通过喷墨打印、喷涂、丝网印刷、气流喷印、转印、卷对卷图案化、微纳米压印、毛笔刷涂、旋涂中的任意一种工艺转移至所述基底上。
可选的，所述制备方法还包括：在每个所述探测结构上设置包围所述探测结构的封装结构，所述封装结构的制作材料为高分子材料或高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料。
本发明能产生的有益效果包括：
本发明提供的光谱分辨探测组件，通过在基底上设置规则排布的多个探测结构；由于不同探测结构由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成，不同探测结构的吸收边波长不同，因而不同探测结构可以分辨不同的光谱。相较于现有技术，本发明提供的光谱探测组件由于不需要外加滤光片即可实现不同光谱的探测，因而使得制备成本较底、制备工艺简单，适合大面积制备和工业化生产，并且能够实现任意波长的区分和探测，在喷墨打印、其它图案化方式中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光谱分辨探测组件的探测结构排布示意图；
图2为本发明实施例提供的溶液转移位点及像元排布示意图；
图3为本发明实施例提供的封装结构的示意图；
图4为本发明实施例提供的探测结构的封装结构示意图；
图5为本发明实施例提供的光谱分辨探测组件的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种光谱分辨探测组件，如图1至图4所示，探测组件包括：基底10和设置在基底10上的多个探测结构20；多个探测结构20规则排布；不同探测结构20由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成；不同探测结构20的吸收边波长不同。
本发明实施例对于基底10的具体材料不做限定，示例的，基底10可以为玻璃、石英、硅、绝缘体上硅器件、互补金属氧化物半导体器件、电荷耦合器件中的任意一种。
探测结构20的形态可以通过加热、光照或气压调控钙钛矿的结晶形态，结晶形态可以为钙钛矿单晶、多晶、非晶、纳米晶、纳米线、纳米片中的任意一种。
探测结构20规则排布指的是每个探测结构20之间保持一定的均匀的间距，均匀分布后呈现的形状可以是矩形、圆形、正三角形等中的任意一种。
本发明提供的光谱分辨探测组件，通过在基底10上设置规则排布的多个探测结构20；由于不同探测结构20由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成，不同探测结构20的吸收边波长不同，因而不同探测结构20可以分辨不同的光谱。相较于现有技术，本发明提供的光谱探测组件由于不需要外加滤光片即可实现不同光谱的探测，因而使得制备成本较底、制备工艺简单，适合大面积制备和工业化生产，并且能够实现任意波长的区分和探测，在喷墨打印、其它图案化方式中具有广阔的应用前景。
在实际应用中，钙钛矿前驱体溶液包括第一溶质、第二溶质和溶剂；第一溶质的化学通式为AX；其中，A为CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种；第二溶质的化学通式为BX2；B为Pb、Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙酸乙酯、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、氯仿、丙酮中的至少一种。
进一步的，每个探测结构20上设置有包围探测结构20的封装结构30，封装结构30的制作材料为高分子材料或高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料。若高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料的透过波长为λ>x nm,而制备探测结构20的钙钛矿前驱体溶液的吸收边波长λ<ynm(y>x),则探测结构20最终能探测到光的波长范围为x<λ<y,这可以实现光的窄带探测，进一步提高探测结构20的探测精度。
本发明实施例中，封装结构30为凸透镜形状，而凸透镜结构可以实现光的汇聚，使得更大范围的光有效汇聚到有效探测部位上，提高探测组件的采光率。
进一步的，封装结构30可以通过喷墨打印、气流喷印、转印、微纳米压印等工艺实现。
为了提高探测组件的采光率，高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、透明ABS塑料、聚丙烯腈、聚烯烃弹性体、热塑性聚氨酯、聚乙烯咔唑中的至少一种；半导体纳米材料的化学通式为A3B2X9、ABX3、A2BX6中的至少一种；其中，A选自CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；B选自Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种；半导体纳米材料的固含量为2wt.％-99wt.％；半导体材料的尺寸为2-100nm。
本发明实施例提供了一种光谱分辨探测组件的制备方法，如图5所示，制备方法包括：
步骤501、配置多种不同组分的钙钛矿前驱体溶液；
步骤502、将多种钙钛矿前驱体溶液转移至基底10上，形成规则排布的多个探测结构20；不同探测结构20的吸收边波长不同。
进一步的，多种钙钛矿前驱体溶液可以通过喷墨打印、喷涂、丝网印刷、气流喷印、转印、卷对卷图案化、微纳米压印、毛笔刷涂、旋涂中的任意一种工艺转移至基底10上。
参考图5所示，光谱分辨探测组件的制备方法还包括：
步骤503、在每个探测结构20上设置包围探测结构20的封装结构30，封装结构30的制作材料为高分子材料或高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料。
本发明另一实施例提供一种光谱仪器件，包括上述任一种的光谱分辨探测组件，光谱仪器件的吸收边波长范围在250nm到3000nm之间，光谱分辨程度最小为0.001nm。
1)、示例的，光谱仪器件的制备过程如下所示：
配置61种不同组分的钙钛矿前驱体溶液，分别编号为1到61号溶液，调控PbX2和CsX中卤族元素(X)的类型和比例，使里面的溶质为CsPbClxBryIz，上述溶液的浓度为0.1mol/L，其中x+y+z＝3，在1到31瓶中，z＝0，x分别为3,2.9，2.8…0.2,0.1,0,y＝3-x，在32到61瓶中，x＝0，z分别为0.1,0.2，0.3…2.8,2.9,3,y＝3-z，所用溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。
在连接有电路的玻璃基底被加热到40℃的情况下，将上述61瓶钙钛矿前驱体溶液分别用喷墨打印的方式打印到上述玻璃基底上。阵列排布和对应号码如图1所示，每一个黑色的圆代表一个对应号码的钙钛矿前驱体溶液打印形成的多晶探测器结构，每个多晶探测结构均与电路单元电连接，而不同组分的钙钛矿前驱体溶液打印形成的多晶探测结构的带隙不同，从1号到61号钙钛矿前驱体溶液对应的吸收光谱的吸收边波长也逐渐右移，因此可以根据不同的点是否有光生电流判断照射光的光谱范围，根据光生电流的强度计算照射光的强度，而光谱仪器件与相关控制系统及信息处理输出系统集成可以实现光谱仪器件的探测功能。
本发明又一实施例提供一种多光谱成像器件，包括上述任一种的光谱分辨探测组件。
1)、示例的，多光谱成像器件的制备过程如下所示：
配置4种不同组分的钙钛矿前驱体溶液，分别编号为1、2、3、4号溶液，1号溶液中的第一溶质为1mmol PbBr2、第二溶质为1mmol/L MACl，2号溶液中的第一溶质为1mmol/LPbBr2、第二溶质为1mmol/L MABr，3号溶液中的第一溶质为1mmol PbBr2、第二溶质为1mmolMAI，4号溶液中的第一溶质为1mmol PbI2、第二溶质为1mmol MABr，1、2、3、4号溶液中所用的溶剂均为二甲基亚砜(DMSO)，溶剂用量均是10mL。
在连接有电路的玻璃基底被加热到40℃的情况下，将上述4瓶钙钛矿前驱体溶液分别用喷墨打印的方式打印到上述玻璃基底上，打印的阵列及阵列排布如图2所示，其中每一个黑色的圆代表一个对应号码的钙钛矿前驱体溶液打印形成的多晶探测结构，不同组分的钙钛矿前驱体溶液打印形成的多晶探测结构的带隙不同，1、2、3、4号溶液打印形成的多晶探测结构分别对应的是21、22、23、24，多晶探测器结构21、22、23、24分别对应的吸收边波长为465,nm、525nm、570nm、635nm，每个探测结构在对应吸收边波长之前的光都可以被吸收，多晶探测结构21、22、23、24对应的可探测波长分别为λ<465、λ<525、λ<570、λ<635，其中，多晶探测结构21、22、23、24均是直径为10μm的圆，每个多晶探测结构相邻圆心的距离为25μm，相邻多晶探测结构的间隙均通过电路元件电连接。打印的形式和个数如图2所示。
21、22、23、24探测结构对应的封装结构依次是31、32、33、34，其中封装结构31、32、33、34均是直径为20μm的半球形凸透镜结构，具体的封装结构如图4所示。
其中，封装结构31的材料为PAN与MA2Bi3Br9组成的复合材料、封装结构32的材料为PAN与MA2Bi3Br6I3组成的复合材料、封装结构33的材料为PAN与MA2Bi3Br3I6组成的复合材料、封装结构34的材料为PAN与MA2Bi3I9组成的复合材料，其中封装结构31、32、33、34的透过波长分别为λ>450、λ>510、λ>550、λ>610。封装完成后，探测结构21、22、23、24可探测到光的波长依次为450<λ<465,510<λ<525,550<λ<570,610<λ<635。
将封装好的探测结构21、22、23、24作为一个像元40，横竖分别排列1920、1080个像元40，成像单元与每个像元40电连接，是为了实现光谱分辨探测的功能，进而制成一个可以分辨4种光谱的多光谱成像器件，其多光谱成像器件通过与控制系统、信息处理系统和输出系统集成可以实现多光谱成像功能。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (8)
1.一种光谱分辨探测组件，其特征在于，包括：
基底和设置在所述基底上的多个探测结构；
多个所述探测结构规则排布；不同所述探测结构由不同组分的钙钛矿前驱体溶液制成；不同所述探测结构的吸收边波长不同；
每个所述探测结构上设置有包围所述探测结构的封装结构，所述封装结构的制作材料为高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料；其中，所述高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料的透过波长为λ＞x nm，所述钙钛矿前驱体溶液的吸收边波长为λ＜ynm，y＞x；
所述半导体纳米材料的化学通式为A3B2X9、ABX3、A2BX6中的至少一种；
其中，A选自CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；B选自Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的探测组件，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液包括第一溶质、第二溶质和溶剂；
所述第一溶质的化学通式为AX；其中，A为CH3NH2、CH(NH)NH2、Cs中的至少一种；X选自卤族元素中的至少一种；
所述第二溶质的化学通式为BX2；B为Pb、Ag、Sb、Bi、In、Al中的至少一种；
所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙酸乙酯、 N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、氯仿、丙酮中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的探测组件，其特征在于，所述封装结构为凸透镜形状。
4.根据权利要求1所述的探测组件，其特征在于，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、透明ABS塑料、聚丙烯腈、聚烯烃弹性体、热塑性聚氨酯、聚乙烯咔唑中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的探测组件，其特征在于，所述半导体纳米材料的固含量为2wt.% - 99 wt.%。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测组件，其特征在于，所述探测组件应用于光谱仪器件或多光谱成像器件。
7.一种权利要求1至5中任一项所述的光谱分辨探测组件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
配置多种不同组分的钙钛矿前驱体溶液；
将多种所述钙钛矿前驱体溶液转移至基底上，形成规则排布的多个探测结构；不同所述探测结构的吸收边波长不同；
在每个所述探测结构上设置包围所述探测结构的封装结构，所述封装结构的制作材料为高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料，其中所述高分子材料与半导体纳米材料组成的复合材料的透过波长为λ＞x nm，所述钙钛矿前驱体溶液的吸收边波长为λ＜y nm，y＞x。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，多种所述钙钛矿前驱体溶液可以通过喷墨打印、喷涂、丝网印刷、气流喷印、转印、卷对卷图案化、微纳米压印、毛笔刷涂、旋涂中的任意一种工艺转移至所述基底上。
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