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一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法

阅读：1015发布：2020-07-14

专利汇可以提供一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于光电探测技术领域，具体为一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法，所述探测器包括透明导电基底层(1)、新型空穴传输层(2)、探测光敏层(3)、电子传输层(4)和反射电极层(5)，其特征在于：所述新型空穴传输层(2)为四层结构，包括第一介质层(201)、第二介质层(202)、第三纳米金属层(203)和第四介质层(204)，且所述第一介质层(201)层叠在透明导电基底层(1)之上，所述第二介质层(202)层叠在第一介质层(201)之上，所述第三纳米金属层(203)层叠在第二介质层(202)之上，所述第四介质层(204)层叠在第三纳米金属层(203)之上。，下面是一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于新型空穴传输层的光电探测器，包括透明导电基底层(1)、新型空穴传输层(2)、探测光敏层(3)、电子传输层(4)和反射电极层(5)，其特征在于：所述新型空穴传输层(2)为四层结构，包括第一介质层(201)、第二介质层(202)、第三纳米金属层(203)和第四介质层(204)，且所述第一介质层(201)层叠在透明导电基底层(1)之上，所述第二介质层(202)层叠在第一介质层(201)之上，所述第三纳米金属层(203)层叠在第二介质层(202)之上，所述第四介质层(204)层叠在第三纳米金属层(203)之上，所述的第一介质层(201)为原子层沉积技术生长的Al2O3，Al2O3厚度为2nm，所述的第二介质层(202)为CH3NH3PbI3，CH3NH3PbI3的厚度为10-50nm，所述的第三纳米金属层(203)为金属铜的纳米颗粒，所述的第三纳米金属层(203)的名义厚度为2nm，金属铜的纳米颗粒的粒径在10-20nm，所述第四介质层(204)为PEDOT:PSS与NPB的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与NPB的摩尔比为5：(1-
2)，所述第四介质层(204)的厚度为30-50nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器，其特征在于：所述透明导电基底层(1)包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-300nm，所述透明导电基底层(1)的可见光透过率大于80％，方块电阻小于10欧姆。。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器，其特征在于：所述的探测光敏层(3)为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为
20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于
2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结构，包括摩尔比为
0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-760nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器，其特征在于：所述的电子传输层(4)采用PC61BM或PC71BM制备而成，所述的电子传输层(4)的厚度为10-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器，其特征在于：所述的反射电极层(5)采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层(5)的厚度为100-1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：探测器的制备包括以下步骤，
S1、透明导电基底层预处理；
S2、生长新型空穴传输层；
S3、生长探测光敏层；
S4、生长电子传输层；
S5、生长反射电极层。
7.根据权利要求6所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤S1、透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。
8.根据权利要求6所述的一种基于新型空穴传输层的光电探测器的制备方法，其特征在于：S2、生长新型空穴传输层包括步骤，
S21、生长第一介质层，在原子层沉积设备中生长2nm的Al2O3作为第一介质层；
S22、生长第二介质层，采用液相一步法，生长有第一介质层的基底80℃预热10分钟,将PbI2和CH3NH3I按照摩尔比例为1:1溶在二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶剂中，PbI2和CH3NH3I占溶液总质量的10％，其中DMSO和GBL体积比是3:7，获得CH3NH3PbI3 旋涂液，将CH3NH3PbI3旋涂液滴在第一介质层上，以2000rpm的转速立刻旋涂，，旋涂90s后，放置在90℃热台上退火60分钟；
S23、生长第三纳米金属层，真空镀膜机中蒸镀铜丝的方法，获得金属铜的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.05nm/s，本底真空度小于10-4Pa；
S24、生长第四介质层，将PEDOT:PSS与NPB的复合材料采用旋涂的办法生长在第三纳米金属层之上。

说明书全文

一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电探测技术领域，具体为一种基于新型空穴传输层的光电探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 光电探测器具有将光信号转变为电信号的功能，是支撑光信息技术领域的基本器件，在光通信、传感、安全以及生物传感等领域有着广泛的应用。目前商品化的光电探测器主要是基于Si，GaN，InGaAs等无机半导体材料。这类探测器在响应速度、灵敏度以及稳定性方面均具有很好的性能。但与此同时，基于Si，GaN，InGaAs的光电探测器制备工艺复杂、成本高。因此，开发性能良好，且低成本的光电探测器对光信息领域的发展有着重要意义。

[0003] 有机光电探测器由于具有柔性、廉价和易于集成等众多优点，它在消费类电子产品、家用器具、智能建筑照明、工业、生产安全、卫生保健和生命科学、环境、玩具和教育等领域将有广泛的应用。但是目前报道的有机光电探测器在响应范围的响应度都较低，特别是
其寿命与无机探测器相比有较大差距。

[0004] 所以提供一种新的响应度高寿命长的光电探测器成为我们要解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种高响应度的宽光谱响应光电探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 作为本发明的一个方面提供了一种基于新型空穴传输层的光电探测器，包括透明导电基底层、新型空穴传输层、探测光敏层、电子传输层和反射电极层，其特征在于：所述新型空穴传输层为四层结构，包括第一介质层、第二介质层、第三纳米金属层和第四介质层，且所述第一介质层层叠在透明导电基底层之上，所述第二介质层层叠在第一介质层之上，
所述第三纳米金属层层叠在第二介质层之上，所述第四介质层层叠在第三纳米金属层之
上，所述的第一介质层为原子层沉积技术生长的Al2O3，Al2O3厚度为2nm，所述的第二介质层为CH3NH3PbI3，CH3NH3PbI3的厚度为10-50nm，所述的第三纳米金属层为金属铜的纳米颗粒，所述的第三纳米金属层的名义厚度为2nm，金属铜的纳米颗粒的粒径在10-20nm，所述第四介质层为PEDOT:PSS与NPB的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与NPB的摩尔比为5：(1-
2)，所述第四介质层的厚度为30-50nm。

[0008] 作为优选的，所述透明导电基底层1包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-
300nm，所述透明导电基底层1的可见光透过率大于80％，方块电阻小于10欧姆。

[0009] 作为优选的，所述的探测光敏层3为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于
2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为
三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-760nm。

[0010] 作为优选的，所述的电子传输层4采用PC61BM或PC71BM制备而成，所述的电子传输层4的厚度为10-100nm。

[0011] 作为优选的，所述的反射电极层(5)采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层(5)的厚度为100-1000nm。

[0012] 作为本发明的另一个方面，提供了一种基于新型空穴传输层的光电探测器的制备方法，探测器的制备包括以下步骤，

[0013] S1、透明导电基底层预处理；

[0014] S2、生长新型空穴传输层；

[0015] S3、生长探测光敏层；

[0016] S4、生长电子传输层；

[0017] S5、生长反射电极层。

[0018] 作为优选的，步骤S1、透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。

[0019] 作为优选的，S2、生长新型空穴传输层包括步骤，

[0020] S21、生长第一介质层，在原子层沉积设备中生长2nm的Al2O3作为第一介质层；

[0021] S22、生长第二介质层，采用液相一步法，生长有第一介质层的基底80℃预热10分钟,将PbI2和CH3NH3I按照摩尔比例为1:1溶在二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶剂中，PbI2
和CH3NH3I占溶液总质量的10％，其中DMSO和GBL体积比是3:7，获得CH3NH3PbI3 旋涂液，将CH3NH3PbI3旋涂液滴在第一介质层上，以2000rpm的转速立刻旋涂，，旋涂90s后，放置在90℃热台上退火60分钟；

[0022] S23、生长第三纳米金属层，真空镀膜机中蒸镀铜丝的方法，获得金属铜的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.05nm/s，本底真空度小于10-4Pa；

[0023] S24、生长第四介质层，将PEDOT:PSS与NPB的复合材料采用旋涂的办法生长在第三纳米金属层之上。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过器件整体结构和新型空穴传输层的配合设计，可以提高探测器的响应度和寿命。本发明中通过致密Al2O3的设置，一方面阻挡水汽进入器件，另一方面，防止由于ITO中的金属铟进入器件内部造成探测器性能的衰退。利用第三纳米金属层的表面等离激元共振作用，可以将入射光尽可能多的进入光敏
层内被探测器吸收，从而提高探测器的响应度。利用CH3NH3PbI3第二介质层，促进空穴的收集，利用第四介质层阻挡漏电流，最终大幅提高探测器的响应度。同时，第四介质层可以起到避免激子在第三纳米金属层猝灭的作用。
附图说明

[0025] 图1为本发明结构示意图；

[0026] 图2为本发明新型空穴传输层结构示意图；

[0027] 图中：1-透明导电基底层，2-新型空穴传输层，3-探测光敏层,4-电子传输层,5-反射电极层,201-第一介质层,202-第二介质层,203-第三纳米金属层,204-第四介质层。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0030] 请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于新型空穴传输层的光电探测器，包括透明导电基底层1、新型空穴传输层2、探测光敏层3、电子传输层4和反射电极层5，新型空穴传输层2为四层结构，包括第一介质层201、第二介质层202、第三纳米金属层203和第四介质层204，且所述第一介质层201层叠在透明导电基底层1之上，第二介质层202层叠
在第一介质层201之上，第三纳米金属层203层叠在第二介质层202之上，第四介质层204层
叠在第三纳米金属层203之上，的第一介质层201为原子层沉积技术生长的Al2O3，Al2O3厚
度为2nm，所述的第二介质层202为CH3NH3PbI3，CH3NH3PbI3的厚度为10-50nm，所述的第三纳米金属层203为金属铜的纳米颗粒，第三纳米金属层203的名义厚度为2nm，金属铜的纳米颗粒的粒径在10-20nm，第四介质层204为PEDOT:PSS与NPB的复合材料制备而成，其中
PEDOT:PSS与NPB的摩尔比为5：(1-2)，第四介质层204的厚度为30-50nm。

[0031] 进一步的，透明导电基底层1包括第一玻璃基底以及沉积在第一玻璃基底之上的氧化铟锡构成，所述的第一玻璃基底的厚度0.5-7mm，所述氧化铟锡的厚度为100-300nm，所述透明导电基底层1的可见光透过率大于80％，方块电阻小于10欧姆。

[0032] 进一步的，探测光敏层3为PIN型结构，包括第一P型层,第一I型层和第一N型层，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结
构，包括摩尔比为0.5：0.5：0.5的第一P型层材料、第一N型层材料和可见光敏层材料，所述的可见光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV，可见光敏材料的光吸收峰值波长范围为360-
760nm。

[0033] 进一步的，电子传输层4采用PC61BM或PC71BM制备而成，所述的电子传输层4的厚度为10-100nm。

[0034] 进一步的，反射电极层5采用铝、银或金制备而成，所述的反射电极层(5)的厚度为100-1000nm。

[0035] 一种基于新型空穴传输层的光电探测器的制备方法，探测器的制备包括以下步骤，

[0036] S1、透明导电基底层预处理；

[0037] S2、生长新型空穴传输层；

[0038] S3、生长探测光敏层；

[0039] S4、生长电子传输层；

[0040] S5、生长反射电极层。

[0041] 进一步的，步骤S1、透明导电基底层预处理包括步骤，透明导电基底层使用丙酮与乙醇棉球擦洗，再用丙酮、乙醇和去离子水各超声10分钟后，100℃烘干。

[0042] 进一步的，S2、生长新型空穴传输层包括步骤，

[0043] S21、生长第一介质层，在原子层沉积设备中生长2nm的Al2O3作为第一介质层；

[0044] S22、生长第二介质层，采用液相一步法，生长有第一介质层的基底80℃预热10分钟,将PbI2和CH3NH3I按照摩尔比例为1:1溶在二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶剂中，PbI2
和CH3NH3I占溶液总质量的10％，其中DMSO和GBL体积比是3:7，获得CH3NH3PbI3旋涂液，将CH3NH3PbI3旋涂液滴在第一介质层上，以2000rpm的转速立刻旋涂，，旋涂90s后，放置在90℃热台上退火60分钟；

[0045] S23、生长第三纳米金属层，真空镀膜机中蒸镀铜丝的方法，获得金属铜的纳米颗粒，蒸镀条件为速率0.05nm/s，本底真空度小于10-4Pa；

[0046] S24、生长第四介质层，将PEDOT:PSS与NPB的复合材料采用旋涂的办法生长在第三纳米金属层之上。

[0047] 本采用本实施例中的新型空穴传输层的探测器的响应度与不采用新型空穴传输层的参考器件相比可以提高20％，寿命可以提高一倍以上。

[0048] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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