超灵敏溶液处理的钙钛矿混合光电探测器制造技术

光电探测器包括由无机/有机混合钙钛矿材料——诸如有机金属卤化物钙钛矿——形成的活性层。钙钛矿混合光电探测器提供了低的暗电流密度和高的外量子效率，其导致具有增强的光响应性和探测率的光电探测器。有利地，钙钛矿混合光电探测器可以通过溶液处理制备，并且与大规模制造技术相容。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年3月12日提交的美国临时申请号61/951,567的权益，其内容通过引用并入本文。
本专利技术一般地涉及光电探测器装置。具体地，本专利技术涉及包括钙钛矿活性层的光电探测器。更具体地，本专利技术涉及包括通过溶液处理形成的钙钛矿混合活性层的光电探测器。专利技术背景光电探测器PD，诸如光电二极管和太阳能电池，是当今使用的最普遍的技术类型之一。它们的应用包括——除了别的之外——化学/生物感测、环境监测、日间/夜间监视，以及用于远程控制装置，诸如，例如电视遥控器。在光电探测器的发展期间，多种类型的半导体材料已经用于它们的设计，包括ZnO、Si、InGaAs、胶体量子点、石墨烯、碳纳米管和共轭聚合物。此外，用于制造PD的半导体材料具备高吸收消光系数是期望的，其确保足够的光能够被装置的活性层吸收。此特征对于确保光电探测器提供大电荷载流子迁移率使得可以生成高光电流，和确保制造具有低密度结构缺陷的光电探测器使得暗电流密度充分地减弱是重要的。考虑到光电探测器设计者期望的操作性质，混合有机金属卤化物钙钛矿材料、或钙钛矿材料由于其性质已经被认为是用于光电探测器的有希望的候选。钙钛矿材料是直接带隙半导体，其允许它们在可见光至近红外光的范围内具备高吸收消光系数。而且，钙钛矿材料的双极传输特性使得空穴和电子两者能够在钙钛矿基电子装置中同时传输。此外，钙钛矿材料的长电荷载流子扩散长度(CH3NH3PbI3-xClx中～1μm，CH3NH3PbI3中～100nm)导致由其形成的钙钛矿薄膜中的低缺陷密度，其在光电探测器的制造中将是期望的。由于钙钛矿材料的期望的特征，已经研究了钙钛矿基光电探测器。然而，这样的努力没有实现具有足够的日间/夜间监视灵敏度和化学生物学探测灵敏度的钙钛矿基光电探测器。此外，当前的钙钛矿基光电探测器没有实现低功率消耗和高速操作的期望的操作特征。此外，现有设计的钙钛矿PD由于多种原因遭受降低的性能，包括由多种内部和外部反应造成的探测器的多个层的降解。因而，这样的现有光电探测器设计有内在缺陷，给予差的长期稳定性。此外，低的功函数金属油墨——诸如铝(Al)金属油墨——的可用性是有限的，所述油墨需要基于常规PSC设计制造PD电极。因而，这样的光电探测器设计与连续的、低成本卷对卷(roll-to-roll)制造技术——其需要沉积大面积Al电极——的相容性同样仍存在问题。此外，因为常规光电探测器由无机材料形成，所以它们需要高温处理，并且需要活性层由贵金属元素形成，因而使得光电探测器为昂贵的装置。因此，对通过溶液处理形成的有机金属卤化物钙钛矿混合光电探测器存在需要。还对可以使用大规模制造技术——诸如卷对卷制造技术——制造的钙钛矿光电探测器存在需要。此外，对钙钛矿(无机/有机)混合光电探测器存在需要，其相对于常规光电探测器设计——诸如无机光电探测器——提供增强的光响应性和探测率。此外，对钙钛矿混合光电探测器存在需要，其消除PEDOT:PSS的使用并且用高的功函数金属银(Ag)电极替换低的功函数金属铝(Al)电极以使光电探测器具有增强的稳定性。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，光电探测器包括第一电极；布置在第一电极上的电子提取(electron-extraction)层；布置在电子提取层上的钙钛矿活性层；布置在钙钛矿活性层上的空穴提取(hole-extraction)层；和第二电极；其中第一或第二电极中的至少一个是至少部分透光的。在本专利技术的另一方面，制备光电探测器的方法包括提供至少部分透光的第一电极；在第一电极上布置电子提取层；在电子提取层上布置钙钛矿吸光层；在钙钛矿吸光层上布置空穴提取层；和在空穴提取层上布置第二电极。在本专利技术的又另一方面，制备光电探测器的方法包括提供至少部分透光的第一电极；在第一电极上布置空穴提取层；在空穴提取层上布置钙钛矿吸光层；在钙钛矿吸光层上布置电子提取层；和在电子提取层上布置第二电极。附图说明图1是显示根据本专利技术的概念的混合钙钛矿光电探测器的一个或多个实施方式的装置结构的示意图；图2A是显示根据本专利技术的概念的混合钙钛矿光电探测器的一个或多个可选实施方式的装置结构的示意图；图2B是显示图2A的光电探测器的TiO2、PC61BM、CH3NH3PbI3、P3HT(聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、MoO3的LUMO(最低未占分子轨道)和HOMO(最高占据分子轨道)能级和ITO和Ag的功函数的图；图3A是显示图2A的混合钙钛矿光电探测器在黑暗下和在以0.53mW/cm2的光强的500nm的波长的单色光照下的J-V特性的图表，由此图2A的光电探测器在结构上配置为：ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(用TiO2代表PD)，和在结构上配置为：ITO/TiO2/PC61BM/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(用TiO2/PC61BM代表PD)；图3B显示图2A的混合钙钛矿光电探测器的外量子效率(EQE)光谱的图，由此光电探测器的结构配置为：ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(PD表示为TiO2)，和配置为：ITO/TiO2/PC61BM/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(用TiO2/PC61BM代表PD)；图4A是显示图2A的混合钙钛矿光电探测器的探测率对波长的图，由此光电探测器的结构配置为：ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(用TiO2代表PD)，和配置为：ITO/TiO2/PC61BM/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Ag(用TiO2/PC61BM代表PD)；图4B是具有TiO2/PC61BM的图2A的光电探测器的线性动态范围的图；图5A是根据本专利技术的概念由图2A的光电探测器利用的TiO2薄膜的原子力显微镜(AFM)高度图像；图5B是根据本专利技术的概念的TiO2/PC61BM薄膜的原子力显微镜(AFM)高度图像；图5C是根据本专利技术的概念的TiO2薄膜的原子力显微镜(AFM)相图像；图5D是根据本专利技术概念的TiO2/PC61BM薄膜的原子力显微镜相(AFM)图像；图6是根据本专利技术的概念由图2A的光电探测器使用的TiO2/CH3NH3PbI3和TiO2/PC61BM/CH3NH3PbI3薄膜的光致发光光谱的图；图7是显示图2A的混合钙钛矿光电探测器在V≈VOC处的尼奎斯特曲线的图，由此光电探测器在结构上配置为：ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Al(用TiO2代表PD)，和在结构上配置为ITO/TiO2/PC61BM/CH3NH3PbI3/P3HT/MoO3/Al(具有TiO2/PC61BM的PD)；图8是由本专利技术的光电探测器利用的钙钛矿(CH3NH3PbI3-xClx)的归一化的UV(紫外)吸收的图；图9A是显示根据本专利技术的概念的另一个示例性钙钛矿混合光电探测器的结构的示意图；图9B显示图9A的钙钛矿混合光电探测器的结构层的能级排列的图表；图10是显示在黑暗条件下和在光照条件下测量的图9A的钙钛矿混合光电探测器的J本文档来自技高网...

【技术保护点】
光电探测器，其包括：第一电极；电子提取层，其布置在所述第一电极上；钙钛矿活性层，其布置在所述电子提取层上；空穴提取层，其布置在所述钙钛矿活性层上；和第二电极；其中所述第一或第二电极中的至少一个是至少部分透光的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.12 US 61/951,5671.光电探测器，其包括：第一电极；电子提取层，其布置在所述第一电极上；钙钛矿活性层，其布置在所述电子提取层上；空穴提取层，其布置在所述钙钛矿活性层上；和第二电极；其中所述第一或第二电极中的至少一个是至少部分透光的。2.权利要求1所述的光电探测器，其中所述钙钛矿活性层包括有机金属卤化物钙钛矿。3.权利要求2所述的光电探测器，其中所述有机金属卤化物由式CH3NH3PbI3-xClx限定，其中x为0至3。4.权利要求3所述的光电探测器，其中所述有机金属卤化物由式CH3NH3PbI3限定。5.权利要求4所述的光电探测器，其中所述电子提取层包括TiO2。6.权利要求3所述的光电探测器，其中所述TiO2被[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯钝化。7.权利要求4所述的光电探测器，其中所述光电探测器包括第一空穴提取层和第二空穴提取层。8.权利要求7所述的光电探测器，其中所述第一空穴提取层包括MoO3且所述第二空穴提取层包括聚(3-己基噻吩-2,5-二基)。9.权利要求3所述的光电探测器，其中所述电子提取层包括[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。10.权利要求3所述的光电探测器，其中所述空穴提取层包括聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸酯)。11.权利要求1所述的光电探测器，其中所述外量子效率大于50％。12.权利要求1所述的光电探测器，其中对于375nm至800nm之间的至少一个波长，可以获得大于2.8×1012琼斯的探测率。13.权利要求12所述的光电探测器，其中对于375nm至800nm之间的波长，可以获得大于2.8×1012琼斯的探测率。14.制备光电探测器的方法，其包括：提供至少部分透光的第一电极；在所述第一电极上布置电子提取层；在所述电子提取层上布置钙钛矿吸光层；在所述钙钛矿吸光层上布置空穴提取层；和在所述空穴提取层上布置第二电极。15.权利要求15所述的方法，其中沉积所述钙钛矿吸光的步骤通过以下进行：首先在所述电子提取层上沉积包括金属卤化物盐的层，并且然后在所述包括金属卤化物盐的层上沉积有机卤化物盐。16.权利要求15所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩雄，王凯，刘畅，
申请(专利权)人：阿克伦大学，
类型：发明
国别省市：美国;US