一种硫化铋薄膜及其光电二极管的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硫化铋薄膜及其光电二极管的制备方法和应用，该硫化铋薄膜的制备方法，包括：提供Bi2S3前驱溶液；将Bi2S3前驱溶液涂布在基底上；将涂有Bi2S3前驱溶液的基底置于氮气氛围中，先低温退火至溶剂挥发完全，再于280

【技术实现步骤摘要】
一种硫化铋薄膜及其光电二极管的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光电器件制造
，尤其涉及一种硫化铋薄膜及其光电二极管的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硫化物以其优异的光吸收系数、可调的带隙和吸收范围、较强的稳定性(包括空气稳定性、温度稳定性和湿度稳定性等)、较低的成本和较多的制备途径，在光伏、光催化以及光电探测领域受到学术界和产业界广泛的关注。
[0003]其中，硫化铋(Bi2S3)是一种新兴的半导体材料，常温下制备的硫化铋材料通常具有1.3～1.7eV的带隙和高吸收系数(≈105cm
‑1,在可见光波段)，非常接近于由精细平衡极限所得到的材料最佳能隙宽度，非常适合于单结太阳能电池的应用。同时，由于其较高的迁移率、载流子寿命，使得其在光电探测的领域也可以有着非常大的应用前景。此外，硫化铋的组成元素丰富且无毒，这些特性的综合使得硫化铋成为了一种非常具有发展前景的半导体材料。
[0004]目前，硫化铋薄膜大多采用化学浴沉积(CBD)、热蒸发以及水热法等方法制备，其好处主要在于有较高的成膜质量。然而，这些方法也存在成本高、反应速率难以精确控制、掺杂浓度较难准确调控、反应物残留在实验容器的内壁表面导致后续清理步骤较繁琐等问题。在过去很多年的研究中，对于硫化铋的研究都更加偏向于纳米材料合成与热电性质的应用，对于光电部分的研究还需要更多的探索，这是因为繁复的制备工艺，低的制备效益等问题极大地限制了硫化铋材料薄膜基光电器件的进一步发展，因此，亟需提供一种合适的硫化铋薄膜制备工艺。/>
技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术通过涂布的方式将Bi2S3前驱体溶液沉积在基底上，获得了表面粗糙度不超过2nm的硫化铋薄膜，基于此硫化铋薄膜制备的光电器件具有明显的光暗电流比，在光电探测器领域具有良好的应用前景。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种硫化铋薄膜的制备方法，包括：
[0007]提供Bi2S3前驱溶液；
[0008]将Bi2S3前驱溶液涂布在基底上；
[0009]将涂有Bi2S3前驱溶液的基底置于氮气氛围中，先低温退火至溶剂挥发完全，再于280
±
5℃退火至硫化铋薄膜表面缺陷消除。
[0010]在本专利技术提供的一些实施方式中，提供Bi2S3前驱溶液包括：按铋和硫的摩尔比为1：1.3～1：3将铋盐和硫脲溶于有机溶剂中，制成Bi2S3前驱溶液。
[0011]在本专利技术提供的一些实施方式中，Bi2S3前驱溶液中还添加有Zn
2+
。
[0012]在本专利技术提供的一些实施方式中，先低温退火至溶剂挥发完全，再于280
±
5℃退火至硫化铋薄膜表面缺陷消除包括：先于100
±
5℃退火10～20min，再于280
±
5℃退火15～
25min。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种通过上述硫化铋薄膜的制备方法制备而成的硫化铋薄膜。
[0014]第三方面，本专利技术提供上述硫化铋薄膜在光电领域的应用。
[0015]第四方面，本专利技术提供二极管型光电探测器的制备方法，包括：
[0016]通过上述硫化铋薄膜的制备方法在电子传输层上制备硫化铋薄膜，作为吸光活性层；然后在硫化铋薄膜上制备空穴传输层。
[0017]第五方面，本专利技术提供一种通过上述二极管型光电探测器的制备方法制备而成的二极管型光电探测器。
[0018]在本专利技术提供的一些实施方式中，电子传输层为SnO2、TiO2或CdS；空穴传输层为PTAA、P3HT或spiro
‑
OMeTAD。
[0019]在本专利技术提供的一些实施方式中，所述电子传输层的厚度为10～80nm；所述硫化铋薄膜的厚度为20～500nm；所述空穴传输层的厚度为5～50nm。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0021](1)与现有的水热法、蒸发法和化学浴沉积法制备的硫化铋薄膜相比，本专利技术制备的硫化铋薄膜表面十分平整，只有约2nm的表面粗糙度，这个对于薄膜二极管的器件是非常有利的，同时，本专利技术避免了水热法、蒸发法和化学浴沉积法等方法中反应速率难以调控的问题，实验过程简单，设备要求简单，成本低。
[0022](2)本专利技术制备的光电二极管型探测器具有超过102的光灵敏度，在偏压下有着低于1nA/Hz
1/2
的噪声电流，掺杂阳离子的探测器器件更是具有更低暗电流与噪声电流，同时，器件具备良好的环境稳定性，对温度和湿度均有一定的耐受性，为后续应用提供了更有利的条件。
附图说明
[0023]以下利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制。
[0024]图1a是实施例1中通过溶液法旋涂硫化铋薄膜而制备的光电二极管型探测器的结构示意图，从下到上依次为Ag电极、MoO
x
、空穴传输层、吸光活性层Bi2S3、电子传输层、透明导电薄膜ITO；图1b展示了器件的光暗电流。
[0025]图2a是实施例1中基于不同铋硫摩尔比的前驱溶液旋涂所得的薄膜的光暗电流曲线；图2b是通过热蒸发的方式制备Bi2S3吸光活性层，并保持其它层完全不变所制备的二极管型器件的光暗电流曲线。
[0026]图3为实施例1中通过铋硫摩尔比为1：1.5的前驱溶液所得硫化铋薄膜所制备的光电探测器在不同偏压下的噪声频谱。
[0027]图4为实施例1中铋硫摩尔比为1：1.5的器件的在持续光照下的电流变化。
[0028]图5为实施例1中铋硫摩尔比为1：1.5的器件的光响应曲线。
[0029]图6为实施例2中采用化学浴沉积法的CdS作为电子传输层，分别采用不同空穴传输层的Bi2S3二极管器件在暗态和光照下的电流密度
‑
电压曲线。
[0030]图7为实施例2中采用旋涂法制备的TiO2作为电子传输层，分别采用不同空穴传输
层的Bi2S3二极管器件在暗态和光照下的电流密度
‑
电压曲线。
[0031]图8为实施例2中采用旋涂法制备的SnO2作为电子传输层，分别采用不同空穴传输层的Bi2S3二极管器件在暗态和光照下的电流密度
‑
电压曲线。
[0032]图9a展示了使用不同种类的阳离子掺杂之后硫化铋薄膜的时间分辨微波电导率的载流子动力学曲线，图9b展示了采用不同的阳离子掺杂之后，硫化铋薄膜迁移率变化的绝对值。
[0033]图10为实施例3中在Bi2S3前驱溶液中铋硫摩尔比为1:1.5的情况下，引入不同浓度Zn
2+
掺杂的二极管器件在暗态和光照下的电流密度
‑
电压曲线。
具体实施方式
[0034]为使本领域技术人员更容易理解本专利技术的技术方案，下面对本专利技术的技术方案进行详细阐述。
[0035]本专利技术采用旋涂的方式沉积Bi2S3薄膜，发现所得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫化铋薄膜的制备方法，其特征在于，包括：提供Bi2S3前驱溶液；将Bi2S3前驱溶液涂布在基底上；将涂有Bi2S3前驱溶液的基底置于氮气氛围中，先低温退火至溶剂挥发完全，再于280
±
5℃退火至硫化铋薄膜表面缺陷消除。2.根据权利要求1所述的硫化铋薄膜的制备方法，其特征在于：所述提供Bi2S3前驱溶液包括：按铋和硫的摩尔比为1：1.3～1：3将铋盐和硫脲溶于有机溶剂中，制成Bi2S3前驱溶液。3.根据权利要求2所述的硫化铋薄膜的制备方法，其特征在于：所述Bi2S3前驱溶液中还添加有Zn
2+
。4.根据权利要求1所述的硫化铋薄膜的制备方法，其特征在于：所述先低温退火至溶剂挥发完全，再于280
±
5℃退火至硫化铋薄膜表面缺陷消除包括：先于100
±
5℃退火10～20min，再于280
±

【专利技术属性】
技术研发人员：林乾乾，贾正林，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：