專利名稱：一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可探測紫外光的有機(jī)聚合物光伏器件或光探測器領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于紫外光探測器在諸如科學(xué)觀 測與研究、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、軍事、航空及航天跟蹤與控制等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，近年來引起人們越來越多的關(guān)注?；趩尉Ч?、氮化硅、氮化鎵等P-η結(jié)光電二極管所制備的傳統(tǒng)的紫外光探測器價格昂貴、電流響應(yīng)度低，并不適合于大規(guī)模的應(yīng)用。而基于有機(jī)物聚合物材料與寬帶隙材料所制備的有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器具有體積小、質(zhì)量輕、制備方法簡單、成本低廉、設(shè)備要求低、適合大面積生產(chǎn)、柔性等突出優(yōu)點(diǎn)，引起了各國學(xué)者的極大興趣。但是目前有機(jī)紫外光探測器具有以下幾個主要問題1.傳統(tǒng)工藝制備的紫外光探測器電流響應(yīng)度低，在電壓為-9 V的條件下，電流響應(yīng)度小于100 A/ff ；2.采用紫外透過濾鏡慮去可見光部分，在實(shí)現(xiàn)紫外光探測的同時，復(fù)雜了器件結(jié)構(gòu)，降低了效率；3.在無機(jī)寬帶隙材料上制備有機(jī)聚合物光活性層，不能很好地解決有機(jī)無機(jī)界面接觸問題，器件效能不高；4.將寬帶隙的有機(jī)聚合物半導(dǎo)體制作成薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電壓高，器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且探測穩(wěn)定性差，限制了其發(fā)展。而開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，器件探測性能穩(wěn)定，電流響應(yīng)度高的有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，成為了現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題如何提供一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的制備方法，目的是克服傳統(tǒng)制備器件工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、所制備器件探測穩(wěn)定性差的問題，制備聞探測穩(wěn)定性、聞電流響應(yīng)度的紫外光探測器。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其為多層層狀結(jié)構(gòu)，從下至上依次為襯底、透明導(dǎo)電陰極ITO、ZnO薄膜層、光活性層、空穴傳輸層、金屬陽極。進(jìn)一步地，所述襯底為玻璃或透明聚合物。進(jìn)一步地，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸的一種或多種。進(jìn)一步地,所述ZnO薄膜層的厚度為30 50 nm。進(jìn)一步地，所述光活性層材料為無機(jī)電子受體材料ZnO與有機(jī)電子給體材料聚咔唑(PVK)的混合物。進(jìn)一步地，所述無機(jī)電子受體材料ZnO與有機(jī)電子給體材料聚咔唑(PVK)的質(zhì)量比為1:1 1:10。進(jìn)一步地,所述光活性層的厚度為30 50 nm。進(jìn)一步地，所述空穴傳輸層材料為可溶性金屬氧化物；進(jìn)一步地，所述空穴傳輸層材料為三氧化鑰、五氧化二釩或三氧化鎢的一種或多種；
進(jìn)一步地，所述空穴傳輸層的厚度不超過10 nm。進(jìn)一步地，所述金屬陽極為金屬納米線。進(jìn)一步地，所述金屬納米線直徑約為10 100 nm。
本發(fā)明還公開了一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
①對表面粗糙度小于Inm的由襯底及透明導(dǎo)電陰極ITO所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑?br> ②在透明導(dǎo)電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂ZnO溶液，并將所形成的薄膜進(jìn)行烘烤；
③在電子傳輸層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂光活性層ZnO與PVK的混合溶液，并將所成的薄膜進(jìn)行烘烤；
④在光活性層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂金屬氧化物溶液形成空穴傳輸層；
⑤在空穴傳輸層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂金屬納米線，并通過烘箱對所制備的器件進(jìn)行烘烤。將制備的器件與外接電流測試電路相連，在不同強(qiáng)度的紫外光照射下進(jìn)行器件測試。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(I)借鑒于反型有機(jī)薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)，提供了一種反型結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，將ITO作為陰極，金屬納米線作為陽極，實(shí)現(xiàn)了全濕法制備的紫外光探測器，該器件解決了有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的穩(wěn)定性差問題，同時具有制備方法簡單、設(shè)備要求低、成本低廉、可柔性、適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。(2)用穩(wěn)定性較強(qiáng)的ZnO半導(dǎo)體材料作為電子傳輸層，并采用紫外光吸收性能好的光活性層材料，的與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器相比，顯著地提高了器件的響應(yīng)度。(3)本發(fā)明所制備的器件超薄，除去襯底厚度外，器件總厚度不超過500 nm。(4)該器件所采用的光活性層只對紫外光波段有吸收，省去了傳統(tǒng)器件中所使用的紫外光透過濾光片，簡單了器件結(jié)構(gòu)，提高了器件效率。


圖I是本發(fā)明的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的結(jié)構(gòu) 圖2是光活性層所采用的電子給體材料聚咔唑(PVK)的分子結(jié)構(gòu)示意 圖3是光活性層的吸收光譜；
附圖標(biāo)記為1襯底、2透明導(dǎo)電陰極IT0、3 ZnO薄膜層、4光活性層、5空穴傳輸層、6金屬陽極。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明器件的具體結(jié)構(gòu)如圖I所示，圖中包括襯底I、透明導(dǎo)電陰極ITO 2,ZnO薄膜層3、光活性層4、空穴傳輸層5、金屬陽極6 ;其中，襯底I由玻璃或透明聚合物構(gòu)成，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸的一種或多種；光活性層4由無機(jī)電子受體材料ZnO與有機(jī)電子給體材料聚咔唑(PVK)的混合物，其混合比例為1:1 1:10 ;空穴傳輸層5材料為可溶性金屬氧化物，包括三氧化鑰(Mo03)、五氧化二fL(V205)、三氧化鶴(WO3)的一種或多種；金屬陽極6為金屬納米線，包括Ag納米線、Cu納米線、Au納米線的一種或多種。待測紫外光從襯底I入射時，透明導(dǎo)電陰極ITO 2與金屬陽極6之間產(chǎn)生電壓，電壓大小隨著照射光強(qiáng)度變化，將電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，通過外接電流測試電路讀出光電流數(shù)值。從圖3中可以看出，該器件所采用的 光活性層只對紫外光波段有吸收，省去了傳統(tǒng)器件中所使用的紫外光透過濾光片，簡單了器件結(jié)構(gòu)，提高了器件效率；
實(shí)例I :
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm;再將濃度為2 mg/ml的Mo03溶液噴涂于所制備的光活性層上，其厚度約為7 nm ；最后，將導(dǎo)電Ag納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為I. 25 mff/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為_9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為630 A/W。實(shí)例2
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面旋轉(zhuǎn)涂覆濃度為20 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜層(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:2)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm;再將濃度為2 mg/ml的Mo03溶液噴涂于所制備的光活性層上，其厚度約為7 nm;最后，將導(dǎo)電Ag納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為I. 25mW/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為690A/W。實(shí)例3
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm;再將濃度為25 mg/ml的Mo03溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于所制備的光活性層上，其厚度約為5 nm;最后，將導(dǎo)電Ag納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為I. 25mW/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為720A/W。實(shí)例4
在實(shí)例3的基礎(chǔ)上，其他條件不變，用V2O5溶液替代MoO3作為空穴傳輸層。具體制備工藝將濃度為20 mg/ml的V2O5溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于光活性層上，并烘干，其厚度約為30 nm。當(dāng)在有功率密度為I. 25 mff/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9V條件下獲得電流響應(yīng)度為550 A/W。實(shí)例5 選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ITO，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm;再將濃度為25 mg/ml的Mo03溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于所制備的光活性層上，其厚度約為
5nm;最后，將導(dǎo)電Cu納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為I. 25mW/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為440A/W。實(shí)例6
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm ;再將濃度為25 mg/ml的Cs2C03溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于所制備的光活性層上，其厚度 約為5 nm;最后，將導(dǎo)電Cu納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為
I.25 mW/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為 200 A/ffo實(shí)例7
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm ;再將濃度為25 mg/ml的Cs2C03溶液旋轉(zhuǎn)涂覆于所制備的光活性層上，其厚度約為5 nm;最后，將導(dǎo)電Ag納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為
I.25 mW/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為 375 A/W。實(shí)例8
選擇玻璃襯底與透明導(dǎo)電電極ΙΤ0，將其清洗干凈后，在表面噴涂濃度為2 mg/ml的ZnO溶液，并烘干形成電子傳輸層ZnO薄膜(厚度約為40 nm);將ZnO與PVK (比例為1:1)所組成的混合溶液采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備于電子傳輸層之上，作為光活性層，其厚度約為100 nm ;再將濃度為2 mg/ml的Cs2C03溶液噴涂于所制備的光活性層上，其厚度約為7nm ;最后，將導(dǎo)電Ag納米線滴涂于表面，烘干后形成導(dǎo)電陽極。當(dāng)在有功率密度為I. 25 mff/cm2的中心波長為360 nm的紫外光照射時，在電壓為-9 V條件下獲得電流響應(yīng)度為345 A/
I
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于其為多層層狀結(jié)構(gòu)，從下至上依次為襯底、透明導(dǎo)電陰極Ι 、ZnO薄膜層、光活性層、空穴傳輸層、金屬陽極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述襯底為玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料為聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、氯醋樹脂或聚丙烯酸的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述ZnO薄膜層的厚度為30 50 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述光活性層材料為無機(jī)電子受體材料ZnO與有機(jī)電子給體材料聚咔唑的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述無機(jī)電子受體材料ZnO與有機(jī)電子給體材料聚咔唑的質(zhì)量比為I: I 1:10。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述光活性層的厚度為30 50 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述空穴傳輸層材料為可溶性金屬氧化物； 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述空穴傳輸層材料為三氧化鑰、五氧化二釩或三氧化鎢的一種或多種，所述空穴傳輸層的厚度不超過 10 nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器，其特征在于所述金屬陽極為金屬納米線，金屬納米線直徑約為10 100 nm。
9.一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 ①對表面粗糙度小于Inm的由襯底及透明導(dǎo)電陰極ITO所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑? ②在透明導(dǎo)電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂ZnO溶液，并將所形成的薄膜進(jìn)行烘烤； ③在電子傳輸層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂光活性層ZnO與PVK的混合溶液，并將所成的薄膜進(jìn)行烘烤； ④在光活性層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂金屬氧化物溶液形成空穴傳輸層； ⑤在空穴傳輸層上旋轉(zhuǎn)涂覆、印刷或噴涂金屬納米線，并通過烘箱對所制備的器件進(jìn)行烘烤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器及其制備方法，其為多層層狀結(jié)構(gòu)，從下至上依次為襯底、透明導(dǎo)電陰極ITO、ZnO薄膜層、光活性層、空穴傳輸層、金屬陽極。此器件采用非真空全濕法制備工藝，結(jié)構(gòu)采用反型結(jié)構(gòu)，同時在透明導(dǎo)電陰極ITO與光活性層中插入的ZnO薄膜作為電子傳輸層，提高了器件的電流響應(yīng)度。該器件解決了有機(jī)聚合物薄膜紫外光探測器的探測穩(wěn)定性差問題,同時具有制備方法簡單、設(shè)備要求低、成本低廉、可柔性、適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。
文檔編號H01L51/44GK102969451SQ201210529448
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者于軍勝, 鄭毅帆, 劉勝強(qiáng), 鐘建 申請人:電子科技大學(xué)