一种自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于微纳制造相关技术领域，其公开了一种自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法，所述光电探测器包括玻璃基底、CsPbIBr

【技术实现步骤摘要】
一种自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法
本专利技术属于微纳制造相关
，更具体地，涉及一种自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法。
技术介绍
自第三次科技革命以来，以半导体技术为核心的微电子技术及相关产业得到了迅猛发展，相关技术和工艺的成熟也促进了光电子技术的进步，且开发高性能光电探测器，对于改善人民生活、促进工业发展和国防实力进步具有重要战略意义。目前，商业化光电探测器主要是基于Si、InGaAs、GaN等传统无机半导体材料所构建的，存在暗电流较大、弱光响应性差等缺陷。此外，该类型器件对半导体薄膜纯度要求高，薄膜多采用分子束外延以及金属有机化学气相沉积工艺制备，设备要求高，生产成本高，效率低下，且工艺温度高，能耗高，限制了其在聚合物柔性基底上的沉积。2009年，有机-无机金属杂化钙钛矿作为新一代极具潜力的光敏材料被应用到光伏领域，拉开了钙钛矿光电器件研究的序幕。然而，杂化钙钛矿热稳定性较差，无法在工况温度下稳定工作，且因为有机组分的存在，易于空气中的水分和氧气等发生反应，致使钙钛矿分解，进而导致器件失效。在目前已报道的钙钛矿材料中，全无机钙钛矿具有热稳定性高、介电常数小、内部缺陷少、电荷迁移率高、表面复合率低等优良特性，且受光照时能表现出快速的光响应特性(微秒甚至纳秒尺度)，是高灵敏、高稳定光电探测器的理想构件。全无机钙钛矿光电探测器主要分为两种类型：光电导型与光伏(自供能)型。前者由于无需电荷传输层，具有噪声电流低、结构简单、成本低、易制备等优点，因此该类型光电探测器被研究的较多。但是，该类器件光响应时间较长(数百微秒至数毫秒)，无法完成高频光信号的探测，限制了其在高速光通信、高速成像等领域的应用，且光电导型光电探测器工作时需外接供电装置，增加了系统的复杂性和整体成本。光伏(自供能)型光电探测器具有自驱动、电荷传输距离短、响应速度快(纳秒级)、探测率高等优势，在高频光探测领域具有巨大的应用潜力。但该类型器件一般采用能耗高或价格昂贵的电子传输层(TiO2、PCBM)或空穴传输层(Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT)，大大增加了器件的生产成本，限制了其商业化应用。此外，传统的全无机钙钛矿薄膜大多是基于溶液法制备的，存在无机钙钛矿材料合成困难、薄膜缺陷态密度较高以及成膜性差等缺点，这些缺陷都不利于载流子快速迁移，且溶液法工艺本身不利于钙钛矿薄膜阵列的高效沉积。相应地，本领域存在着开发一种低成本的自供能光电探测器及其制备方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法，其基于现有光电探测器的工作特点，研究及设计了一种高性能、高稳定性的自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法，其中，PMMA修饰层的引入有利于进一步钝化CsPbIBr2光敏薄膜的缺陷，提高载流子传输速率及减少不利的非辐射复合损失，从而提高光电探测器的灵敏度和响应速率；且所述方法采用连续蒸镀工艺制备高质量CsPbIBr2光敏薄膜，通过精细调控PbBr2与CsI前驱体层厚度，实现CsPbIBr2光敏薄膜成分的精确可控。该方法所制备的CsPbIBr2光敏薄膜相较于传统溶液法制备的CsPbIBr2光敏薄膜具有更高的相纯度、覆盖率、结晶度、光吸收能力及更长的载流子寿命等，有利于器件光探测性能的提升。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种自供能钙钛矿光电探测器，所述光电探测器包括玻璃基底、CsPbIBr2光敏薄膜、PMMA修饰层及Ag电极层，所述玻璃基底包括基底及设置在所述基底上的ITO导电层，所述CsPbIBr2光敏薄膜设置在所述ITO导电层上；所述PMMA修饰层设置在所述CsPbIBr2光敏薄膜远离所述ITO导电层的表面上，所述Ag电极层设置在所述PMMA修饰层远离所述CsPbIBr2光敏薄膜的表面上。进一步地，所述Ag电极层的厚度为120nm～140nm。进一步地，所述CsPbIBr2光敏薄膜是由依次蒸镀的PbBr2前驱体层及CsI前驱体层在退火下反应生成的。进一步地，所述PbBr2层的厚度为150～200nm，所述CsI层的厚度为140～190nm。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种自供能钙钛矿光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供所述玻璃基底；(2)采用连续蒸镀工艺在所述玻璃基底的ITO层上制备CsPbIBr2光敏薄膜；(3)采用旋涂方式在所述CsPbIBr2光敏薄膜上沉积PMMA修饰层；(4)采用蒸镀工艺在PMMA修饰层上沉积Ag电极层，由此完成所述光电探测器的制备。进一步地，步骤(2)包括以下子步骤：首先，在所述ITO导电层上蒸镀150～200nm厚的PbBr2前驱体层；再在所述PbBr2前驱体层上蒸镀140～190nm厚的CsI前驱体层；之后，在N2氛围下，以270℃～300℃进行退火10min～15min，由此得到所述CsPbIBr2光敏薄膜。进一步地，PbBr2前驱体层及CsI前驱体层的蒸发速率均为进一步地，在N2氛围下，以旋涂方式在所述CsPbIBr2光敏薄膜上制备PMMA修饰层。进一步地，步骤(3)中，旋涂速率为2500rpm～3000rpm，旋涂时间为30s～35s，再在90～105℃下加热15min～20min以对PMMA修饰层进行烘干。进一步地，步骤(4)中，蒸发速率为Ag电极层的厚度为120～140nm，整个制备过程是在压强小于1×10-3Pa的真空腔室内进行的。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的自供能钙钛矿光电探测器及其制备方法主要具有以下有益效果：1.所述CsPbIBr2光敏薄膜是通过在所述ITO导电层上依次蒸镀PbBr2前驱体层、CsBr前驱体层，再经过高温退火制备而成的；通过调节CsBr层与CsI层的厚度，可实现对薄膜成分的精确控制；该方法所制备的CsPbIBr2光敏薄膜相较于传统溶液法制备的CsPbIBr2光敏薄膜具有更高的相纯度、覆盖率、结晶度、光吸收能力，更少的晶界缺陷及更长的载流子寿命等，有利于器件光探测性能的提升。此外，该方法摒弃了有毒溶剂的使用，对环境较友好。2.引入PMMA层对CsPbIBr2光敏薄膜进行修饰，可有效钝化CsPbIBr2薄膜的体缺陷和面缺陷，显著降低载流子非辐射复合速率和暗电流密度，有利于载流子的有效传输，进而实现高速、高灵敏光探测。此外，PMMA层优异的疏水性可对CsPbIBr2光敏薄膜进行有效保护，避免环境中的水汽进入钙钛矿层，从而提高器件的使用寿命。3.钙钛矿光电探测器未使用任何电子传输层和电荷传输层，大大降低了器件成本和生产工艺的复杂性，也降低了对生产设备的要求，有助于推动钙钛矿光电探测器的大规模商业化生产和应用。4.钙钛矿光电探测器为光伏(自供能)型器件，工作时无需额外接电源进行供电，降低了工作能耗和系统复杂性，有助于进一步降低整体成本。附图说明图1是本专利技术提供的自供能钙钛矿光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自供能钙钛矿光电探测器，其特征在于：/n所述光电探测器包括玻璃基底、CsPbIBr

【技术特征摘要】
1.一种自供能钙钛矿光电探测器，其特征在于：
所述光电探测器包括玻璃基底、CsPbIBr2光敏薄膜、PMMA修饰层及Ag电极层，所述玻璃基底包括基底及设置在所述基底上的ITO导电层，所述CsPbIBr2光敏薄膜设置在所述ITO导电层上；所述PMMA修饰层设置在所述CsPbIBr2光敏薄膜远离所述ITO导电层的表面上，所述Ag电极层设置在所述PMMA修饰层远离所述CsPbIBr2光敏薄膜的表面上。


2.如权利要求1所述的自供能钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述Ag电极层的厚度为120nm～140nm。


3.如权利要求1所述的自供能钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述CsPbIBr2光敏薄膜是由依次蒸镀的PbBr2前驱体层及CsI前驱体层在退火下反应生成的。


4.如权利要求3所述的自供能钙钛矿光电探测器，其特征在于：所述PbBr2层的厚度为150～200nm，所述CsI层的厚度为140～190nm。


5.一种权利要求1-4任一项所述的自供能钙钛矿光电探测器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供所述玻璃基底；
(2)采用连续蒸镀工艺在所述玻璃基底的ITO层上制备CsPbIBr2光敏薄膜；
(3)采用旋涂方式在所述CsPbIBr2光敏薄膜上沉积PMMA修饰层；
(4)采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖广兰，刘星月，刘智勇，孙博，谭先华，史铁林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42