基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器及制备方法与流程

本发明涉及气体传感器，具体涉及一种基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、气体的传感是将气体的组分、性质及浓度等信息转换为易于分析处理的信号（如电流、电压等），在日常的生产和生活中具有重要意义。一方面，对外界环境中危险气体的探测，包括大气污染、易燃易爆气体、室内空气质量、药品及食品存贮等的监控都离不开气体传感；另一方面，新兴的即时、非侵入式智慧医疗中，通过检测人体呼吸中具有病理指征的气体实时监控健康状况，其进一步的发展也有赖于高性能且低成本的气体传感器。基于以上目的，目前已开发了各种类型的气体传感器，主要包括电阻型，光学型，超声波和声波型和电化学型传感器。基于传统无机金属氧化物半导体材料所构筑的传感器，一方面工作时通常需要被加热到更高的温度，以提高传感器的检测性能，而这也意味着传感器需要更加复杂的装置结构。传感器需要在较高的温度水平下工作，显著增加了能量消耗，整体装置尺寸和气体传感器的制作成本。不仅如此，加热到高温可能导致传感纳米材料的微观结构发生变化，这可能导致传感性能下降。另一方面，由于有机材料本身所具有的对光照、热量、应力、气体、生物分析物等环境变量的敏感特性，基于有机半导体材料的传感器也逐渐成为研究的热点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术上的不足而提供一种基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器，实现自供能并对挥发性有机化合物的识别。

2、本发明的另一个目的是提供上述基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器的制备方法。

3、为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

4、一种基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器，包括玻璃基底上的ito电极，在玻璃基底上涂覆的空穴传输层，空穴传输层上依次涂覆的活性层和电子传输层，电子传输层涂覆agnws银纳米线层作为顶电极，在ito电极与agnws银纳米线层用导电银浆引线，其中空穴传输层为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)pedot:pss，活性层为5t-x系列分子和pc71bm组成的共混层，电子传输层为pdino。

5、所述空穴传输层的厚度为20-40nm，活性层的厚度为80-120nm，电子传输层厚度为10-15nm, agnws银纳米线层厚度为 1-10 um。

6、所述空穴传输层、活性层和电子传输层的形成均采用旋涂法。

7、所述空穴传输层旋涂后在120-150℃退火处理15-20 min。

8、所述活性层旋涂后在80-100℃退火处理8-10 min。

9、所述5t-x系列分子和pc71bm组成的共混层的活性层是由质量比为1:0.8的5t-x系列分子和pc71bm溶于三氯甲烷形成的溶液涂覆而成的，其中溶液总浓度为10.8 mg/ml。

10、其中5t-x系列分子的结构式为：

11、。

12、其中pc71bm的结构式为：

13、。

14、上述基于有机本体异质结的光伏多模态气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

15、(1)在玻璃基底上制备ito电极，依次用丙酮、去离子水和异丙醇进行超声清洗，最后用n2将表面灰尘吹扫干净；

16、(2)将玻璃基底上的ito电极进行o3处理或者o2plasma处理；

17、(3)将水溶性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)pedot:pss溶液旋涂在ito电极的玻璃基底上，其中旋涂的转速为3000-4500r,旋涂时间为20-40s，厚度为20-40nm，在120-150℃退火处理15-20min，形成空穴传输层；

18、 (4)将5t-x:pc71bm活性材料旋涂在空穴传输层上，其中旋涂的转速为2000-4000r,旋涂时间为20-40s，厚度为80-120nm，在80-100℃退火处理8-10 min形成活性层；

19、(5)将pdino溶于甲醇中得到2mg/ml的溶液旋涂在活性层形成上电子传输层，其中旋涂的转速为2000-3500r,旋涂时间为20-40s，厚度为10-15nm；

20、(6)将溶于异丙醇的质量分数为1%的agnws溶液旋涂在电子传输层顶部形成网络结构的agnws银纳米线层作为顶电极，其中旋涂的转速为1000-2000r，时间为30-40s，厚度为 1-10 um；

21、(7)将底部的ito电极与agnws银纳米线层顶电极用导电银浆引线。

22、所述步骤（1）中每次超声清洗10-15min。

23、所述步骤(2)中将玻璃基底上的ito电极进行o3处理或者o2plasma处理20-30min。

24、本发明的光伏多模态气体传感器是基于有机半导体小分子活性层的光伏效应和有机半导体小分子与挥发性有机化合物之间的亲和作用，通过电流-电压曲线提取出不同待测气体环境中器件的开路电压（voc）、短路电流(jsc)、填充因子（ff）、内阻等多个特征参数信息，将其作为挥发性有机化合物的传感信号，建立其与有机分子骨架结构、侧链长度和末端基团调控的活性层形貌、堆垛结构、共轭程度以及电荷交换的作用规律，从而实现对多种挥发性有机化合物的精准识别。具体方法为：采用旋涂的方法将空穴传输层涂覆在有ito电极的玻璃基底上，将活性材料涂覆在空穴传输层上形成气敏薄膜的活性层，将电子传输层通过旋涂的方法涂覆在活性层材料上，将agnws溶液旋涂在顶部作为顶电极。即本发明光伏多模态气体传感器是由空穴传输层、气敏薄膜的活性层、电子传输构成有机小分子光伏给受体材料共混的气敏层、在其上层为银纳米线构成的网络状多孔电极与导电银浆粘合作为电极b、下层为制备有氧化铟锡的透明电极与导电银浆粘合作为电极a组成。由于有机光伏小分子具有丰富的结构单元、骨架结构、有机官能团和堆垛方式，调节其产生的光电信号可以使用i-v 扫描曲线进行表征，其中具有开路电压、短路电流、填充因子、内阻等多个特征信息。通过无源器件的这些特征信息，可以使其在多模态下工作并实现监测目标环境中的待测气体。该种无源气体传感器可以直接利用光生伏打效应进行气体监测，显著降低能耗，同时器件结构简单，制备方便易于集成。本发明将将太阳能收集功能和气敏功能的统一在一个单元器件中，底部玻璃基板上图案化的ito电极作为底电极，图案化的ito电极具有固定的面积，为电池的有效面积；底部ito电极与顶部agnws电极分别作为电池的正极和负极，接入气体传感腔室，在内置光源的照射下，通入气体，挥发性有机化合物会通过agnws进入内层，待测气体分子会与内层材料发生反应，太阳光照射产生电子空穴对，在内建电场的作用下向两侧移动，气体分子的通入，使得活性层排布发生了变化，导致光伏参数发生变化。最终传感器的输出信号为太阳能电池模块的四个光伏参数：短路电流jsc，开路电压voc，填充因子ff，能量转换效率pce。（1)本发明在已有太阳能电池的基础上改变了顶电极，制作工艺简单；(2)本发明具有太阳能电池的结构，在光照下还可以充分吸收太阳光并产生光信号。(3)本发明作为气体传感器件时，相应和恢复时间较快，可以实现对ppm级的挥发性有机化合物的检测。