一种基于ZnO-钙钛矿结构的紫外-可见可调光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种基于ZnO‑钙钛矿结构的紫外‑可见可调光电探测器及其制备方法，器件的结构为FTO/ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3/Spiro‑OMe TAD/Au,其中FTO层为阳极，ZnO纳米棒为电子传输层，CH3NH3PbI3为钙钛矿吸光层，Spiro‑OMe TAD为空穴传输层，金属电极是Au。此器件在未退火的条件下展示了9.56％的光电转换效率；同时，此器件展示了最高的光电响应度，其值在0偏压下高达7.8A/W；该器件经真空退火时探测度最高，达到10

A ZnO perovskite structure based on UV visible tunable photodetector and its preparation method

The invention provides a ZnO perovskite structure based on UV visible tunable photodetector and its preparing method, the structure of the device is FTO/ZnO /CH3NH3PbI3/Spiro OMe TAD/Au nanorods, including FTO layers of anode, ZnO nanorods as electron transport layer, CH3NH3PbI3 is a perovskite light absorbing layer, Spiro OMe TAD as the hole transport layer, the metal electrode is Au. This device shows the photoelectric conversion efficiency of 9.56% in the annealing conditions; at the same time, the device shows the highest photoelectric response, its value in the 0 voltages up to 7.8A/W; the device after vacuum annealing on measure the highest response reached 1014, the photoelectric detection performance for the device by ultraviolet light; air annealing time electricity detection performance for visible light. In addition, the device has a certain self drive capability, no external bias to drive, is conducive to energy conservation. The invention has the advantages of simple operation, low cost and high sensitivity and detection sensitivity.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体纳米材料以及光电探测器
，尤其是涉及将ZnO纳米棒和钙钛矿材料结合起来形成异质结通过不同退火氛围处理以制作高性能的紫外-可见可调的光电探测器及其制备方法。
技术介绍
从2009年钙钛矿材料刚在染料敏化太阳能电池中被使用,在短短的几年间，钙钛矿太阳能电池的效率飞速发展，效率从4％提升到了20％以上。[1-2]钙钛矿材料被证明具有很多优点，包括吸收系数高、载流子迁移率高、扩散长度长、载流子寿命长等。同时，钙钛矿材料还被证明在300nm-800nm范围内有很强的光吸收能力，因此，它被广泛应用于光伏器件、光电探测器[3-4]、LED和激光等方面。ZnO是一种环保的、宽带隙半导体材料，且具有很多优点，如资源丰富，价格便宜而且环保，合成方法简单，所以它具有很大的潜在价值。ZnO纳米棒作为电子传输层的钙钛矿探测器也有报道，其探测度可以达到4×1010Jones。[5]但是这个工作仅仅把钙钛矿层作为吸光材料，把ZnO作为电子传输层，并没有完全开发钙钛矿的高双载流子传输特性，没有体现ZnO较高禁带宽度在紫外探测方面的优势。因此，我们设计钙钛矿/ZnO异质结器件结构，充分利用半导体pn结器件的优势，实现了高性能的紫外-可见可调的光电探测器。参考文献[1]H.P.Zhou,H.S.Duan,Q.Chen,Z.Hong,G.Li,S.Luo,J.B.You,T.B.Song,Y.S.Liu,Y.Yang,Interfaceengineeringofhighlyefficientperovskitesolarcells,Science2014,345,542.[2]M.Saliba,T.Matsui,J.Y.Seo,K.Domanski,J.P.Correa-Baena,M.K.Nazeeruddin,.S.M.Zakeeruddin,.W.Tress,A.Abate,A.Hagfeldt,andM.Cesium-containingtriplecationperovskitesolarcells:improvedstability,reproducibilityandhighefficiency,EnergyEnviron.Sci.2016,9,1989.[3]R.Dong,Y.Fang,J.Chae,J.Dai,Z.Xiao,Q.Dong,Y.Yuan,A.Centrone,X.C.Zeng,J.Huang,High-gainandlow-driving-voltagephotodetectorsbasedonorganoleadtriiodideperovskites,Adv.Mater.2015,27,1912.[4]Y.Lee,J.Kwang,C.H.Ra,W.J.Yoo,J.-H.Ahn,J.H.Park,J.H.Cho,High-PerformancePerovskite–GrapheneHybridPhotodetector,Adv.Mater.2015,27,41.[5]Z.Wang,R.Yu,C.Pan,Z.Li,J.Yang,Y.Fang,Z.Wang,Light-inducedpyroelectriceffectasaneffectiveapproachforultrafastultravioletnanosensing,NatureCommun.2015,6,8401.
技术实现思路
基于上述技术背景，本专利技术提供一种基于ZnO-钙钛矿结构的紫外-可见可调光电探测器，其结构为FTO/ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au的有机无机杂化太阳能电池结构。该光电探测器的制备方法操作步骤简单，实验成本低廉，且所制备的ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3杂化结构的整体结构清晰，ZnO纳米棒均匀整齐。此外，我们制作的探测器具有较高的响应度和探测灵敏度。本专利技术是这样实现的。它主要由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极组成，其中电子传输层由在ZnO种子层上生成的ZnO纳米棒构成，同时也是空穴阻挡层，钙钛矿吸光层是通过两步法合成的CH3NH3PbI3(钙钛矿)构成，空穴传输层是由Spiro-OMeTAD构成，同时也是电子阻挡层，金属电极是由Au膜组成。本专利技术的具体制备流程和工艺如下：(1)分别用去离子水、丙酮、酒精超声透明导电玻璃FTO各15分钟，然后用紫外臭氧环境处理30分钟。(2)ZnO种子层采用旋涂制备。用1.5M的醋酸锌溶液溶解在甲醇溶液中随后搅拌10分钟，采用4000r/min的转速旋涂在FTO上，时间为20秒。在110℃条件下烘干10min，再转移到马沸炉中进行退火，时间为2h。(3)ZnO纳米棒的制备：用0.6g聚醚酰亚胺(PEI)加入到150ml去离子水中搅拌，然后加入50mmol/L六水硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和30mmol/L六次甲基四胺(C6H12N4)，充分搅拌30分钟，将步骤(2)样品放入溶液中在90度环境下反应2小时。从溶液中取出来后将样品充分吹干，然后转移到不同环境下进行退火处理。纳米棒在脉冲激光沉积(PLD)系统中，分别在温度为300℃～350℃的空气中退火和温度为300℃～350℃的真空中退火。随后自动降温至室温。(4)钙钛矿层的合成方法采用传统的两步法。先将1MPbI2溶解在DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，在70℃条件下保温15h使之充分溶解，然后过滤备用。将CH3NH3I溶解在异丙醇溶液中搅拌十分钟备用。PbI2溶液采用3000转20秒旋涂在ZnO纳米棒样品上，然后在热台上烤干，10分钟后，在CH3NH3I异丙醇溶液中浸泡3分钟，然后吹干。其中CH3NH3I的合成方法为，将氢碘酸和甲胺在0度冰水混合物中反应2小时，得到的溶液在50度下蒸发1小时，再用乙醚洗3-4次，得到纯净的CH3NH3I。(5)在样品上做完钙钛矿层后再旋涂HTM层(空穴传输层)。这里用spiro-OMeTAD，采用2000转30秒旋涂在钙钛矿层上面。(6)最后的金电极采用蒸发蒸镀的方法，蒸发速率为蒸镀的Au电极的厚度为50-60nm。(7)检测样品性能。在步骤(3)温度为300℃～350℃的空气中退火，所制备样品可以探测可见光；在步骤(3)温度为300℃～350℃的真空中退火，所制备样品可以探测紫外光。至此，即可制作成一个完整的紫外-可见可调的光电探测器，同时还具有较高的光电转换效率。形貌和晶体结构采用场致发射扫描电子显微镜(SEM)(JSM-7100F)和X射线衍射(XRD)(BrukerD8AdvanceCuKaradiation)。电池的光伏性能采用太阳模拟器(NewportOriel)。这些测试分析结果分别列于附图中。本专利技术的器件结构为FTO/ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au(如图1所示)，该器件在未退火的条件下展示了9.56％的光电转换效率。同时，此器件展示了较好的光电响应性能，其中没有退火的器件展示了最高的响应度，其值在0偏压下高达7.8A/W；而真空退火的器件的探测度最高，达到1014的响应度。进一步研究发现，不同氛围退火，可以实现紫外-可见可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ZnO‑钙钛矿结构的紫外‑可见可调光电探测器，它主要由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极组成，其特征在于结构为FTO/ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3/Spiro‑OMe TAD/Au的有机无机杂化太阳能电池结构；其中ZnO纳米棒为电子传输层；通过两步法合成的CH3NH3PbI3钙钛矿是吸光层，也是p‑n结的p型材料；Spiro‑OMe TAD作为空穴传输层，同时也是电子阻挡层；金属电极是由Au膜组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于ZnO-钙钛矿结构的紫外-可见可调光电探测器，它主要由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极组成，其特征在于结构为FTO/ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au的有机无机杂化太阳能电池结构；其中ZnO纳米棒为电子传输层；通过两步法合成的CH3NH3PbI3钙钛矿是吸光层，也是p-n结的p型材料；Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，同时也是电子阻挡层；金属电极是由Au膜组成。2.一种基于ZnO-钙钛矿结构的紫外-可见可调光电探测器的制备方法，其步骤如下：(1)分别用去离子水、丙酮、酒精超声FTO各15分钟，然后用紫外臭氧环境处理30分钟；(2)采用旋涂法制备ZnO种子层用1.5M的醋酸锌溶液溶解在甲醇溶液中随后搅拌10分钟，采用4000r/min的转速旋涂在FTO上，时间为20秒。在110℃条件下烘干10min，再转移到马沸炉中进行退火，时间为2h；(3)在ZnO种子层上制备ZnO纳米棒。用0.6g聚醚酰亚胺(PEI)加入到150ml去离子水中搅拌，然后加入50mmol/L六水硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和30mmol/L六次甲基四胺(C6H12N4)，充分搅拌30分钟，将步骤(2)样品放入溶液中，在90度环境下反应2小时，从溶液中取出来后将样品充分吹干。纳米棒在脉冲激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，薛梦妮，周海，叶葱，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42