[发明专利]一种自驱动宽光谱响应硅基杂化异质结光电传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自驱动宽光谱响应硅基杂化异质结光电传感器及其制备方法，其中所述光电传感器包括金属背电极、N型硅基底、N型硅纳米线阵列、有机聚合物半导体薄膜和传感器正极。其中，该杂化光电传感器器件特征在于N型硅纳米线阵列与有机聚合物半导体薄膜构成三维立体的异质结接触，有效缩短了光生载流子传输路径，提高分离效率，通过界面烷基化处理减少表/界面复合效应。所述的硅基微纳结构不仅是作为主要吸光层，而且还是光生载流子的产生和传输层，空穴传输层所述的为P型有机半导体薄膜。本发明的光电传感器具有自供电、宽光谱响应、低成本大面积制备、光电响应速度快等特点。

技术领域

本发明涉及光电传感的技术领域，特别涉及一种自驱动宽光谱响应硅基杂化异质结光电传感器及其制备方法。

背景技术

光电传感器应用十分广泛，在光通信、光纤传感、激光测距、跟踪制导、自动控制、森林防火、环境监测、科学研究等军用民用产品中均有广泛的应用。

光电传感器可分为光传导型传感器、光伏型传感器和光子发射型传感器。一般来说，薄膜型光传导传感器的制作简单、成本低，但缺点是响应速度慢、难实现阵列控制，且功耗高。光子发射型传感器，响应速度快，但缺点是其制作成本高、设备依赖大且功耗很大。相对而言，光伏型传感器具有响应速度快、功耗低且易于大面积阵列制备，因此光伏型光电传感器式目前光电探测研究和发展的一个重点。

目前，第一代光电探测器是基于单晶异质结型结构，主要包括Si、Ge、Se和GaAs等材料。其中Si具有更加可控的制备工艺、良好的稳定性、长寿命等特点，使得硅光电探测器获得广泛关注。但硅是一种间接带隙和窄带隙半导体材料，其吸收系数小，厚度大于200微米才能获得较好的光吸收效果。其次，制造高转换效率的硅光探测器件需要高纯硅、控制离子注入掺杂，同时需要热扩散等退火过程。因此硅光电传感器的制作工艺复杂、能耗高、可用波段较窄，其成本昂贵也成为该材料推广应用的主要障碍。

传统全无机硅基光伏型传感器需要结晶质量良好的异质结型界面，但现有无机材料缺少与硅基材料能带匹配且性能稳定的p型半导体材料。近年来，大多数有机聚合物显示出优良的p型半导体特性，而且容易与n型硅之间形成良好的异质结(类肖特基结)，能作为空穴的快速传输层。

有机半导体材料已经被广泛应用到杂化太阳能电池中，如公开号为102263204A的中国发明专利公开了一种有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法，利用p型的共扼有机物作为电池的空穴传输层，并与硅纳米线阵列构成三维径向的p-n结杂化结构，提高对光的吸收和节约成本，再结合烷基化处理技术对修饰界面，提高电池的稳定性。同时，也关于有机半导体在杂化光电传感器中的报告，如公开号CN102222771 A报道了基于ZnO和有机半导体芴的杂化紫外光电传感器。解决ZnO不易实现p型掺杂的难题，可以在零偏置或低电压偏置条件下工作。

如果将n型硅微纳结构与p型有机聚合物半导体材料结合起来，形成有机/无机杂化肖特基结，这些新颖异质结构型可以充分利用n型硅材料的高电子迁移率和p型有机半导体低温大面积、低成本、柔性等优势，同时当硅片厚度超薄时可以实现弯曲的柔性探测潜力。结合界面修饰方法，可以获得功耗低、响应速度快、广谱响应且光电性能稳定的光电器件。

但现有报道的多种杂化太阳能电池器件，存在光电转换效率低、器件性能稳定性差等突出问题，这是主要是源于有机/无机杂化的异质结界面存在严重的复合效应。硅材料不仅是作为主要吸光层，而且还是光生载流子的产生和传输层，有机半导体仅作为光生空穴传输层，因此杂化异质结器件的界面特性是决定其性能的主要影响因素。

为了提高光吸收和载流子分离效率，公开号为103337560A的中国发明专利公开了采用新型的硅纳米线—金字塔的三维硅纳米结构，以增加硅的比表面积，增强硅表面陷光能力。同时提高结区面积，增强光生载流子的分离效率。为了降低界面复合效应和钝化硅表面，公开号为CN103346260A的中国发明专利公开了有机薄膜与硅杂化太阳能电池器件，报道了通过界面钝化处理和有机薄膜钝化界面的方法优化器件，光电转换效率可达11％的有机/无机杂化太阳能电池。