(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105575964 A (43)申请公布日 2016.05.11
(21)申请号 201510969469.0(22)申请日 2015.12.22
(71)申请人苏州大学
地址215100 江苏省苏州市相城区济学路8
号(72)发明人李亮 田维 卢豪
(74)专利代理机构苏州市中南伟业知识产权代
理事务所(普通合伙) 32257
代理人李阳(51)Int.Cl.
H01L 27/10(2006.01)H01L 51/42(2006.01)H01L 51/48(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图1页
(54)发明名称
结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系及其制备方法(57)摘要
本发明公开了一种结合太阳能电池和探测器的自驱动光电探测体系及其制备方法，该光电探测体系以钙钛矿太阳能电池为电压驱动，钙钛矿探测器为光电传感器件，通过联立这两个原件实现了对光的自驱动探测。考虑到钙钛矿材料对于水气的敏感性和器件的使用寿命，使用了原子层沉积的氧化铝材料对钙钛矿探测器进行了修饰，使得探测器放置在空气中数周之后还可以使用。该自驱动光电探测体系可用于无线传感，生物穿戴设备和危险领域探测等方面。 C N 1 0 5 5 7 5 9 6 4 ACN 105575964 A
权 利 要 求 书
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1.一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系，其特征在于：包括太阳能电池和光探测器，所述太阳能电池和光探测器通过铜线连接在一起，所述太阳能电池为钙
所钛矿太阳能电池，所述光探测器为钙钛矿光探测器，所述光探测器上覆盖有隔离防护层，
述隔离防护层为通过原子层沉积的氧化铝层。
2.一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)：将导电玻璃基片放入到原子层沉积的腔体内，使用异丙醇钛或者四甲胺钛作为钛源，去离子水作为氧源，来制备可调控的二氧化钛层，得到有二氧化钛导电基片；
步骤(2)：将步骤(1)中的二氧化钛导电基片取出，放入退火炉中进行后退火，提高二氧化钛的结晶性能，然后煅烧，冷却，清洗，得到二氧化钛小球框架结构基片；
步骤(3)：将事先配好的钙钛矿溶液滴在步骤(2)中的二氧化钛小球框架结构基片上，利用旋涂的方法得到致密钙钛矿层；
步骤(4)：将步骤(3)中的致密钙钛矿层的在100℃的加热台上退火2h得到完全转化为黑色的结晶钙钛矿，冷却至室温后，旋涂上溶解在氯苯中的P3HT，得到电池基片；
步骤(5)：将步骤(4)中的电池基片转移到热蒸发仪器中，制备上金属电极，得到钙钛矿太阳能电池；
步骤(6)：对柔性导电衬底基片进行刻蚀处理，得到两条垂直相交的不导电刻痕的导电衬底基片；
步骤(7)：将步骤(6)中处理完的基片转移进手套箱中，将事先准备好的碘化铅溶液旋涂到基片上，旋涂完后，将基片放在70℃加热台上退火30min得到结晶的碘化铅；
步骤(8)：将步骤(7)中的基片放入预先准备的碘甲胺溶液中，反应一段时间，然后取出反应之后的基片，使用无水异丙醇清洗多次，将清洗过的基片放在70℃的加热台上退火30min，得到钙钛矿光探测器；
步骤(9)：将步骤(8)中制备好的钙钛矿光电探测器放入原子层沉积系统 中，覆盖氧化铝隔离层；
步骤(10)：使用细铜线将步骤(5)中制备好的钙钛矿太阳能电池与步骤(9)中覆盖氧化铝隔离层的钙钛矿光电探测器联立起来，制备成自驱动光电探测体系。
3.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的导电玻璃基片为FTO(氟掺杂氧化锡)导电玻璃，腔体内的反应温度为80～100℃。
4.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述退火的升温参数为每度一分钟，煅烧温度为550℃，煅烧时间为2h，清洗方式为紫外光清洗。
5.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的钙钛矿溶液中的钙钛矿材料占40～45％wt，溶质中碘甲胺与碘化铅/氯化铅比为1:1/3，溶剂为二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜，旋涂转速为2000～4000转/分钟。
6.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的氯苯中P3HT浓度为20-40mg/mL，旋涂转速为1500～3000
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权 利 要 求 书
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7.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述热蒸发仪器中的蒸发源为银或者金，蒸发气压为1*10-5Pa，蒸发速率为0.1-0.3nm/s。
8.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的柔性导电衬底基片为ITO玻导电璃，刻蚀的原料为锌粉和稀释过的盐酸，刻痕的宽度为0.1mm。
9.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(7)中所述碘化铅浓度中碘化铅的浓度为461mg/ml，旋涂转速为1500～3000转/分钟。
10.根据权利要求2所述的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：步骤(8)所述碘甲胺溶液的温度为70℃，反 应时间为5min。
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说 明 书
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结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系及其制备
方法
技术领域
[0001]本发明涉及光电领域，尤其涉及一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系及其制备方法。
背景技术
[0002]光探测器作为一类重要的光电传感器件，在国防，工业，医学，空间科学领域以及日常生活中有着广泛的应用，例如国防军事预警、通讯、环境监测等。光探测的原理主要是基于光导过程，包括光辐射的吸收、光生载流子的产生和输运。材料的结构参数和表面态以及纳米器件尺寸与构型显著影响材料的光吸收效率，并且决定光生载流子的寿命和渡越时
近年来，国际上各个研究组开发了基于不同结构间，从而影响器件的光敏感度和响应速度。
的光探测器并研究了其光导性能，取得了一系列研究成果。[0003]从2009年开始，一种具有钙钛矿结构的有机无机复合金属卤化物材料进入了科研工作者的视野。其基本化学结构可以写作ABX3。其中A位是有机物基团，一般可以为甲胺基团(CH3NH3)；B位是无机金属，一般可以为铅(Pb)或者锡(Sn)；X位为卤族元素，一般可以为碘(I)，溴(Br)，氯(Cl)或者这几种元素的混合。[0004]这些年来钙钛矿电池发展的非常迅速，从2009年的3.8％的效率提高到现在超过20％的效率，在换能效率上已经实现了对多晶硅太阳能电池的超越。新型的钙钛矿电池其主要由导电玻璃层，一般为FTO或者ITO玻璃；电子传输层，一般为二氧化钛，氧化锌或者氧化锡等具有良好电子传输性能的半导体；吸光层，有机无机复合的技术卤化钙钛矿结构；空穴传输层，一般为P3HT或者sprio-MeOTAD；上电极，一般为100-200nm厚的银或者金。[0005]有鉴于上述的内容，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。发明内容
[0006]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够自驱动且制备容易，操作简单的结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系及其制备方法。
[0007]本发明提出的一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系，其特征在于：包括太阳能电池和光探测器，所述太阳能电池和光探测器通过铜线连接在一起，所述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，所述光探测器为钙钛矿光探测器，所述光探测器上覆盖有隔离防护层，所述隔离防护层为通过原子层沉积的氧化铝层。
[0008]本发明提出的一种结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：[0009]步骤(1)：将导电玻璃基片放入到原子层沉积的腔体内，使用异丙醇钛或者四甲胺钛作为钛源，去离子水作为氧源，来制备可调控的二氧化钛层，得到有二氧化钛导电基片；[0010]步骤(2)：将步骤(1)中的二氧化钛导电基片取出，放入退火炉中进行后退火，提高
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说 明 书
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二氧化钛的结晶性能，然后煅烧，冷却，清洗，得到二氧化钛小球框架结构基片；[0011]步骤(3)：将事先配好的钙钛矿溶液滴在步骤(2)中的二氧化钛小球框架结构基片上，利用旋涂的方法得到致密钙钛矿层；[0012]步骤(4)：将步骤(3)中的致密钙钛矿层的在100℃的加热台上退火2h得到完全转化为黑色的结晶钙钛矿，冷却至室温后，旋涂上溶解在氯苯中的P3HT，得到电池基片；[0013]步骤(5)：将步骤(4)中的电池基片转移到热蒸发仪器中，制备上金属电极，得到钙钛矿太阳能电池；[0014]步骤(6)：对柔性导电衬底基片进行刻蚀处理，得到两条垂直相交的不导电刻痕的导电衬底基片；[0015]步骤(7)：将步骤(6)中处理完的基片转移进手套箱中，将事先准备好的碘化铅溶
旋涂完后，将基片放在70℃加热台上退火30min得到结晶的碘化铅；液旋涂到基片上，
[0016]步骤(8)：将步骤(7)中的基片放入预先准备的碘甲胺溶液中，反应一段时间，然后取出反应之后的基片，使用无水异丙醇清洗多次，将清洗过的基片放在70℃的加热台上退火30min，得到钙钛矿光探测器；[0017]步骤(9)：将步骤(8)中制备好的钙钛矿光电探测器放入原子层沉积系统中，覆盖氧化铝隔离层；[0018]步骤(10)：使用细铜线将步骤(5)中制备好的钙钛矿太阳能电池与步骤(9)中覆盖氧化铝隔离层的钙钛矿光电探测器联立起来，制备成自驱动光电探测体系。[0019]作为本发明方法的进一步改进，步骤(1)所述的导电玻璃基片为FTO(氟掺杂氧化锡)导电玻璃，腔体内的反应温度为80～100℃。[0020]作为本发明方法的进一步改进，步骤(2)所述退火的升温参数为每度一分钟，煅烧温度为550℃，煅烧时间为2h，清洗方式为紫外光清洗。[0021]作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述的钙钛矿溶液中的钙钛矿材料占40～45％wt，溶质中碘甲胺与碘化铅/氯化铅比为1:1/3，溶剂为二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜，旋涂转速为2000～4000转/分钟。[0022]作为本发明方法的进一步改进，步骤(4)中所述的氯苯中P3HT浓度为20-40mg/mL，旋涂转速为1500～3000转/分钟；
[0023]作为本发明方法的进一步改进，步骤(5)中所述热蒸发仪器中的蒸发源为银或者金，蒸发气压为1*10-5Pa，蒸发速率为0.1-0.3nm/s；[0024]作为本发明方法的进一步改进，步骤(6)中所述的柔性导电衬底基片为ITO玻导电璃，刻蚀的原料为锌粉和稀释过的盐酸，刻痕的宽度为0.1mm。[0025]作为本发明方法的进一步改进，步骤(7)中所述碘化铅浓度中碘化铅的浓度为461mg/ml，旋涂转速为1500～3000转/分钟。[0026]作为本发明方法的进一步改进，步骤(8)所述碘甲胺溶液的温度为70℃，反应时间为5min。
[0027]借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明中采用钙钛矿电池可以提供稳定的电压，钙钛矿光探测器具有较高的光响应系数，联立起来的体系可以实现对光探测的自驱动，同时最终覆盖的氧化铝保护层能够起到隔绝空气中水氧的作用，以此来提高电池的性能。本发明的自驱动光电探测体系制备简单易操作，且对设备要求低，本发明的电池，
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光探测器联立体系可用于无线传感，生物穿戴设备和危险领域探测等方面。[0028]本发明制备的钙钛矿光探测器，将钙钛矿材料作为光探测的基础，以钙钛矿材料作为吸光组分，可以实现在全可见光范围吸光，对比于传统光探测器，本发明的探测器可以做到全可见光的探测。
[0029]本发明通过原子层沉积技术制备氧化铝层，在原子层沉积反应中，气态前驱体可以被一层一层可控附着在样品表面，然后完成生长过程，可以在纳米量级上精确控制金属氧化物的生长。通过长时间放置稳定性的测量，原子层沉积技术能够制备出的高致密度和超薄的氧化铝层起到了非常好的作用。
[0030]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明
[0031]图1为本发明所制备的钙钛矿光探测器扫描电镜图；
[0032]图2为本发明结合太阳能电池和光探测器的自驱动光电探测体系的工作示意图。具体实施方式
[0033]下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。[0034]实施例：
[0035]将导电玻璃基片放入到原子层沉积的腔体内，使用异丙醇钛或者四甲胺钛作为钛源，去离子水作为氧源，控制反应腔体温度为80～100℃，来制备可调控的二氧化钛层，得到有二氧化钛层的导电基片。将覆盖二氧化钛的基片取出，放入退火炉中进行后退火，提高二氧化钛的结晶性能，升温参数为每度一分钟，并且在550℃煅烧2h，冷却，紫外清洗，得到二氧化钛小球框架结构基片。将事先配好的钙钛矿溶液滴在退火后的二氧化钛基片上，利用旋涂的方法得到致密钙钛矿层，钙钛矿溶液中的钙钛矿材料占40～45％wt，溶质中碘甲胺：碘化铅/氯化铅比为1:1/3,溶剂为二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜，旋涂转速为2000～4000转/分钟。钙钛矿层放在100℃的加热台上退火2h得到完全转化为黑色的结晶钙钛矿，冷却至室温后，旋涂上溶解在氯苯中的P3HT，得到电池基片，P3HT浓度为20-40mg/ml，旋涂转速为1500～3000转/分钟。将电池基片转移到热蒸发仪器中，制备上金属电极，蒸发源为：银或者金，蒸发气压为1*10-5Pa，蒸发速率为0.1-0.3nm/s。对柔性导电衬底进行刻蚀处理，使用锌粉和稀释过的盐酸为刻蚀原料，得到两条垂直相交的不导电刻痕的导电衬底，刻痕的宽度为0.1mm。将处理完的基片转移进手套箱中，将事先准备好的碘化铅溶液滴在基片上，碘化铅的浓度为461mg/ml，旋涂转速为1500～3000转/分钟；旋转完后，将基片放在70℃加热台上退火30min得到结晶的碘化铅。基片放入预先准备的碘甲胺溶液中，碘甲胺溶液温度为70℃，反应时间为5min，取出反应之后的基片，使用无水异丙醇清洗多次，将清洗过的基片放在70℃的加热台上退火30min。将制备好的光电探测器放入原子层沉积的腔体内，制备氧化铝保护层。使用细铜线将制备好的太阳能电池光电探测器联立起来，制备成光探测的自驱动系统。
[0036]取本实施例中制备的自驱动光电探测器系统，利用太阳光模拟器原件进行测试，
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测试体系可以做到在不加外界偏压下的自驱动现象，同时放置两周之后还能测试出光响应。
[0037]以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
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