CN114235931B - 一种改善柔性光电探测器性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善柔性光电探测器性能的方法，该方法利用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)具有较强还原性的特点，将其作为添加剂用于固态电解质的制备过程中从而提升柔性光电探测器性能。当入射光照射在光电探测器上时，NADPH作为一种高效的空穴转移介质能够有效地抑制电化学体系中电子空穴的复合。本发明是首次将NADPH作为添加剂用于柔性光电探测器性能的改善，该方法可以显著提升器件的光电流密度，制造工艺简单，成本低廉，可用于大规模制备，进一步拓宽了器件的应用前景。
Description
技术领域：
本发明属于光电化学探测领域，具体涉及一种改善柔性光电探测器性能的方法。
背景技术：
光电探测器作为一种能将光信号转化为一种可以接收处理的电信号的传感器，在太阳能发电、生物医学、环境监测以及远程控制等领域应用广泛。光电化学型光电探测器是一种新型的光电探测器，其工作原理是基于半导体-液体接触的机理。当半导体与液体接触时，在界面形成的内置电场作用下电子与空穴发生分离，因此，光电化学型光电探测器在无外部施加电源的条件下能产生较高电流响应与较快响应速度，甚至在紧急断电等突发情况下仍然能稳定工作，大大拓展了其在实际生活场景中的应用。
然而，由于传统的光电化学型光电探测器采用电解液作为导电介质，因此存在体积大、易泄露等缺点，使得其实际应用中存在诸多限制。柔性技术作为现代科技的重要发展技术，在生物医学、信息、能源等领域具有重要的应用前景。近年来，柔性可穿戴电子设备因其便携式、可穿戴性等诸多优点得到了各个领域研究者的广泛关注。为了满足这些柔性电子器件广泛的应用需求，光电探测器器件需要较快的光响应速度和较高的电流响应，以满足未来柔性集成电路技术和制造工艺飞速发展的要求。
发明内容：
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明目的在于提供一种改善柔性光电探测器性能的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种改善柔性光电探测器性能的方法，包括以下步骤：
1)先后用丙酮和无水乙醇浸泡清洗PET薄膜10-20min并干燥，得到纯净的样片；
2)取150-250mg二硫化钼粉末溶解在40-120ml N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中并进行24h超声处理。超声处理结束后，先后用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗两次，每次清洗30min。最后，将潮湿粉末在-45℃的温度下干燥24h，得到灰黑色二维二硫化钼纳米片样品；
3)取4-8mg超导碳黑，加入5-15ml N-甲基-2-吡咯烷酮溶液，超声处理20-40min，得到浓度为0.5mg/ml的均匀碳黑溶液；
4)取步骤2)得到的样品5-15mg，加入5-15ml去离子水并超声处理20-40min，得到浓度为1mg/ml的均匀二维二硫化钼纳米片溶液；
5)3g聚乙烯醇加入到30ml去离子水中，在80-120℃的温度下磁力搅拌30min，得到均匀透明的固态电解质。室温下冷却6h，加入5-10mg NADPH粉末，室温下持续搅拌30min,得到添加NADPH的固态电解质；
6)取步骤3)得到的溶液1ml旋涂在步骤1)的一片样片上，在40-80℃的温度条件下干燥20-30h，得到柔性光电探测器的对电极；
7)取步骤4)得到的溶液1ml旋涂在步骤1)的另一片样片上，在40-80℃的温度条件下干燥10-15h，得到柔性光电探测器的工作电极；
8)各取步骤5)得到的固态电解质2ml分别涂覆在步骤6)和步骤7)的两个电极上，在室温环境下让固态电解质成型，再将柔性器件的两极叠压在一起，室温下静置干燥20-30h得到柔性光电探测器；
9)对步骤8)得到的柔性光电探测器进行光电性能测试，测试系统为电化学工作站，测试时施加电压为0V，光照强度为60-100mW/cm2，激发光源波长范围为390-780nm。
根据本发明优选的，步骤1)中，丙酮和无水乙醇浸泡清洗为15min。
根据本发明优选的，步骤2)中，二硫化钼粉末和N-甲基-2-吡咯烷酮溶液的固液质量体积比为200mg:80ml。
根据本发明优选的，步骤3)中，超导碳黑粉末和N-甲基-2-吡咯烷酮溶液的固液质量体积比为5mg:10ml,超声处理时间为30min。
根据本发明优选的，步骤4)中，样品和去离子水的固液质量体积比为10mg：10ml，超声处理时间为30min。
根据本发明优选的，步骤5)中，磁力搅拌所需的温度为90-100℃，添加的NADPH质量为8-10mg。
进一步优选的，步骤5)中，磁力搅拌所需的温度为95℃，添加的NADPH质量为10mg。
根据本发明优选的，步骤6)中，干燥温度为60℃，干燥时间为24h。
根据本发明优选的，步骤7)中，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
根据本发明优选的，步骤8)中，室温下静置干燥时间为24h。
根据本发明优选的，步骤9)中，测试时光照强度为80mW/cm2。
本发明方法中所有设备、原料均为市售产品。
基于上述技术方案可知，本发明具有如下的优点：
(1)本发明通过研究发现以添加NADPH的固态电解质制备的柔性光电探测器表现出显著增强的光电流。NADPH作为光合作用中一种高效的空穴转移介质，在电化学体系中能有效地抑制电子空穴的复合，从而促进光电流的转换。
(2)本发现通过研究发现添加NADPH的固态电解质制备的柔性光电探测器成本低廉，制造工艺简单，可用于大规模制备。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍：
图1是本发明所涉及的柔性光电探测器结构示意图。
图2是在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的伏安特性曲线图。
图3是在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。
图4是在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的响应时间曲线。
图5是在固态电解质中未添加NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。
图6是在固态电解质中添加5mg NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。
具体实施方式：
实施例1
一种改善柔性光电探测器性能的方法，所述的柔性光电探测器是以固态电解质为导电介质的光电化学型光电探测器，包括步骤如下：
1)先后用丙酮和无水乙醇浸泡清洗PET薄膜15min并干燥，得到纯净的样片；
2)取200mg二硫化钼粉末溶解在80ml N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中并进行24h超声处理。超声处理结束后，先后用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗两次，每次清洗30min。最后，将潮湿粉末在-45℃的温度下干燥24h，得到灰黑色二维二硫化钼纳米片样品；
3)取5mg超导碳黑，加入10ml N-甲基-2-吡咯烷酮溶液，超声处理30min，得到浓度为0.5mg/ml的均匀碳黑溶液；
4)取步骤2)得到的样品10mg，加入10ml去离子水并超声处理30min，得到浓度为1mg/ml的均匀二维二硫化钼纳米片溶液；
5)3g聚乙烯醇加入到30ml去离子水中，在95℃的温度下磁力搅拌30min，得到均匀透明的固态电解质。室温下冷却6h，加入10mg NADPH粉末，室温下持续搅拌30min,得到添加NADPH的固态电解质；
6)取步骤3)得到的溶液1ml旋涂在步骤1)的一片样片上，在60℃的温度条件下干燥24h，得到柔性光电探测器的对电极；
7)取步骤4)得到的溶液1ml旋涂在步骤1)的另一片样片上，在60℃的温度条件下干燥12h，得到柔性光电探测器的工作电极；
8)各取步骤5)得到的固态电解质2ml分别涂覆在步骤6)和步骤7)的两个电极上，在室温环境下让固态电解质成型，再将柔性器件的两极叠压在一起，室温下静置干燥24h得到柔性光电探测器，结构如图1所示；
9)对步骤8)得到的柔性光电探测器进行光电性能测试，测试系统为电化学工作站，测试时施加电压为0V，光照强度为80mW/cm2，激发光源波长范围为390-780nm。
图2为在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的伏安特性曲线图。从图中我们可以看到，光电探测器在0V时表现出明显的电流，表明光电探测器具备自供电能力。
图3是在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。从图中我们可以看到，光电探测器表现出0.51μA/cm2的光电流密度，具有较大的光电流密度。
图4是在固态电解质中添加10mg NADPH制备柔性光电探测器的响应时间曲线。从图中我们可以看到，光电探测器上升时间和下降时间分别是0.49s和2.9s,表明光电探测器具有较快的响应速度。
实施例2
同实施例1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，不同之处在于:
步骤5)中，3g聚乙烯醇加入到30ml去离子水中，在95℃的温度下磁力搅拌30min，得到均匀透明的固态电解质。室温下冷却6h后直接使用。
图5为在固态电解质中未添加NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。从图中我们可以看到，光电探测器表现出0.2μA/cm2的光电流密度，低于图3中的数值，这是因为NADPH的加入能够有效抑制光生载流子的复合，大大提升光电探测器的性能。
实施例3
同实施例1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，不同之处在于:
步骤5)中，3g聚乙烯醇加入到30ml去离子水中，在95℃的温度下磁力搅拌30min，得到均匀透明的固态电解质。室温下冷却6h，加入5mg NADPH粉末，室温下持续搅拌30min,得到添加NADPH的固态电解质。
图6为在固态电解质中添加5mg NADPH制备柔性光电探测器的时间-电流曲线。从图中我们可以看到，光电探测器表现出0.35μA/cm2的光电流密度，低于图3中的数值，这是因为随着添加NADPH质量的增加，抑制光生载流子的能力也随之增加，从而能够进一步提升光电探测器的性能。
Claims (10)
1.一种改善柔性光电探测器性能的方法，所述的柔性光电探测器是以固态电解质为导电介质的光电化学型光电探测器，包括步骤如下：
1)将柔性基底PET薄膜分别用丙酮和无水乙醇清洗并干燥，得到纯净的样片；
2)将二硫化钼粉末溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中进行超声处理，先后分别用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗两次，干燥后得到剥离好的二维二硫化钼纳米片样品；
3)将超导碳黑粉末溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中进行超声处理，得到分散均匀的超导碳黑溶液；
4)将步骤2)中得到的样品溶解在去离子水中进行超声处理，得到分散均匀的二硫化钼纳米片溶液；
5)先取3g聚乙烯醇加入到30ml去离子水中，在80-120℃的温度下磁力搅拌30min，得到均匀透明的固态稠状物，室温下冷却6h后，再加入5-10mg NADPH粉末，室温下持续搅拌30min,得到均匀添加NADPH的固态电解质；
6)将步骤3)得到的溶液旋涂在步骤1)的一片样片上，干燥后得到柔性光电探测器的对电极；
7)将步骤4)得到的溶液旋涂在步骤1)的另一片样片上，干燥后得到柔性光电探测器的工作电极；
8)将步骤5)得到的固态电解质涂覆在步骤6)和步骤7)的电极上，在室温环境下让固态电解质成型，再将柔性器件的两极叠压在一起，静置干燥得到以添加NADPH的固态电解质为导电介质的光电化学型柔性光电探测器；
9)将步骤8)得到的光电探测器在电化学工作站系统中进行光电性能测试,得到性能改善后的柔性光电探测器性能。
2.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤1)中，丙酮和无水乙醇的浸泡清洗时间各为15分钟。
3.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤2)中，二硫化钼粉末质量为200mg，N-甲基-2-吡咯烷酮溶液为80ml，超声处理时间为24h,丙酮、无水乙醇和去离子水清洗时间各为30min,干燥温度为-45℃，干燥时间为24h。
4.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤3)中，超导碳黑粉末和N-甲基-2-吡咯烷酮溶液的固液质量体积比为5mg:10ml,超声处理时间为30min。
5.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤4)中,样品与去离子水的固液质量体积比为10mg:10ml，超声处理时间为30min。
6.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤5)中，聚乙烯醇和去离子水的固液质量体积比为3g:30ml,恒定温度为95℃，添加的NADPH质量为10mg，每次搅拌时间为30min。
7.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤6)中，旋涂的超导碳黑溶液为1ml，干燥温度为60℃，干燥时间为24h。
8.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤7)中，旋涂的二维二硫化钼纳米片溶液体积为1ml，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
9.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤8)中，各个电极上涂覆的固态电解质为2ml，静置干燥时间为24h。
10.根据权利要求1所述的一种改善柔性光电探测器性能的方法，其特征在于，步骤9)中，测试时施加电压为0V，光照强度为80mW/cm2，激发光源波长范围为390-780nm。
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