[发明专利]一种基于复合界面传输材料的钙钛矿光伏-发光-光探测多功能器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于复合界面传输材料的钙钛矿光伏‑发光‑光探测多功能器件及其制备方法。所述多功能器件包括从下至上依次层叠设置的透明导电玻璃、复合电子传输层、钙钛矿活性层、复合空穴传输层和金属电极层。本发明是利用多元界面传输材料的复合调整界面传输层的功函数，让电子传输层和空穴传输层的功函数分别与钙钛矿活性层的导带和价带位置拉平。经实验结果对比，能带调控后的钙钛矿多功能器件光电转换效率和发光效率都有了明显的提升。

技术领域

本发明所属钙钛矿光电领域，具体涉及一种基于复合界面传输材料的钙钛矿光伏-发光-光探测多功能器件及其制备方法。

背景技术

近年来，有机无机卤化钙钛矿材料具有吸光系数高、载流子寿命长、禁带宽度可调和低成本等诸多优点而成为光电领域的研究热点。由该材料制备得到的太阳能电池和发光二极管都取得了巨大进展，逐渐展现出很好的应用前景。根据美国国家可再生能源实验室(NREL)统计，钙钛矿太阳能电池的最高认证能量转换效率已经达到23.7％。而作为电致发光材料，最新《自然》报道，钙钛矿发光二极管的外量子效率突破了20％。并且器件可以实现光探测功能，能否把多重功能统一起来，即在一个器件上实现多功能，制备出兼具光伏、发光和光探测的钙钛矿多功能器件，使其能够敏感响应光信号，在太阳光照下高效发电，黑暗情况下低能耗发光，是一个极具意义的研究课题。

虽然钙钛矿太阳能电池和发光二极管具有类似的器件结构，但在工作条件下具有相反的光电转换过程。图2b和2c比较了太阳能电池(图2b)、发光二极管(图2c)的能带排布。太阳能电池采用的是交错式能带排列，即钙钛矿活性层的导带高于电子传输层的导带(最低非占有轨道)，价带低于空穴传输层的价带(最高占有轨道)，见图2b，这种能带结构有利于活性层中的光生载流子有效分离至电子传输层和空穴传输层。而对于发光二极管，能带排列采用的是跨越式排布，即钙钛矿活性层的导带低于电子传输层的导带(最低非占有轨道)，价带高于空穴传输层的价带(最高占有轨道)，见图2c，这种能带结构有利于电子传输层和空穴传输层向活性层中的注入电荷到钙钛矿活性层，在活性层实现辐射复合发光。对于光探测器，需要降低暗电流等。因此，从能带排布来看，这两种器件的能带排布要求是不太相同的。制备高光电转换效率、高发光效率和高探测灵敏度于一体的钙钛矿多功能器件成为了挑战。

发明内容

针对异质结结构的太阳能电池，发光二极管，光电探测器中，由于不同器件中各个功能层不同的能带排布方式，导致难以在同一器件上同时实现高性能的光伏，发光，光探测性能的问题，本发明旨在提出一种基于复合界面传输材料的钙钛矿光伏-发光-光探测多功能器件及其制备方法，通过能带工程消除钙钛矿活性层和传输层的势垒，设计得到如图2a所示的能带结构。该能带结构可以同时有效地提高钙钛矿多功能器件的光伏效率、发光效率和光探测灵敏度。

本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。

一种基于复合界面传输材料的钙钛矿的光伏-发光-光探测多功能器件，所述多功能器件包括从下至上依次层叠设置的透明导电玻璃、复合电子传输层、钙钛矿活性层、复合空穴传输层和金属电极层。

进一步的，所述透明导电电极层为ITO或FTO透明导电玻璃；具体的，透明导电电极的方块电阻为8～15Ω，透光率为85～90％，透明导电玻璃的厚度为1.1～2.2mm。

进一步的，所述金属电极层为金、银、铜或铝。具体通过热蒸镀的方法沉积在空穴传输层上，且其厚度为0.1～1000nm。

进一步的，所述复合电子传输层厚度为5～120nm，所述复合电子传输层为SnO₂(Cl):GQDs或TiO₂(Cl):GQDs薄膜，具体是包括氨基化的石墨烯量子点，且还包括氯盐制备的二氧化锡或的二氧化钛，且所述氯盐与氨基化的石墨烯量子点的质量比为10:1到1000:1。所述氯盐制备的二氧化锡或二氧化钛是部分Cl残留在SnO₂或TiO₂。且所述复合电子传输层的厚度为5-120nm。