[发明专利]一种基于有机-无机异质结的光伏自驱动柔性气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于有机‑无机异质结的光伏自驱动柔性气体传感器及其制备方法，气体传感器包括由气敏薄膜与导电聚合物纳米纤维构成的太阳能收集模块，气敏薄膜的背面贴有导电玻璃作为电极A，导电聚合物纳米纤维的基底为制备有金属电极B的柔性有机基底，并用导电银浆粘合导电聚合物纳米纤维和电极B。本发明不需要外加偏压驱动，且本设计中的有机‑无机异质结可直接利用内建电场和光伏特性实现持续自主地检测环境中待测气体浓度；自驱动柔性气体传感器可以显著降低功耗，同时也可以减小集成所需的空间；器件结构制作简单、易于集成并且能够充分收集太阳能并转换成电输出信号使得气体传感器持续自主地正常工作。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、二维半导体材料、导电聚合物材料技术领域，具体涉及一种基于有机-无机异质结的光伏自驱动柔性气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着工业生产和公路运输的快速增长，近年来进入大气的有毒气体迅速增多。空气污染可以通过损害认知能力来伤害人类大脑，导致决策和日常事务出现问题。此外，世界卫生组织报告过每年有数百万人因吸入污染的空气而死亡，这些事实在过去几年中引起了人们对空气质量监测的广泛关注。

气体传感器是检测有害无机气体(NO₂、NO、NH₃、H₂、CO₂等)和挥发性有机化合物(甲烷、三乙胺、苯等)的重要电子设备之一。此外，气体传感器在军事、医学诊断、航空航天、工业和农业加工等领域也有着广泛的应用。在过去的几十年里，各种传感器技术都被用于气体传感，如电导、光学、电化学、热电和声学。在全球对能源的需求日益增长的情况下，通过各种形式获取的太阳能能源因其可靠、丰富和可持续的性质而引起了极大的兴趣，包括太阳能光伏电池(PVC)、太阳能热和太阳能热电。

在各种气体检测技术中，传统的化学电阻式气体传感器是在高温下工作的，这限制了它的广泛应用。此外高温操作也会导致传感器不稳定，导致测试结果不准确，以及存在气体爆炸的风险。因此，降低气体传感器的工作温度是当务之急。而且现有的气体传感器需要外加偏压驱动、能耗高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于有机-无机异质结的光伏自驱动柔性气体传感器及其制备方法，实现了“太阳能收集和气敏测试”统一的功能模块，该传感器在室温下即可实现自驱动气体检测，并且不需要任何外加电源。传感器结构中异质结的内建电场能够拓宽耗尽区和分离光生电子-空穴对，最终开路电压(Voc)出现在光照下的p-n结的两端，以此实现不需要外加电源驱动下持续独立自主的工作。同时零偏压条件下没有电流流动，信号响应不会反映出气敏材料的电导特性变化，即开路电压(Voc)仅反映了p-n异质结性质的变化。气敏材料表面会与吸附的气体分子发生反应导致气敏材料中多子浓度变化，从而影响p-n异质结的耗尽区宽度即内建电场，最终在零偏压的测试条件下体现为输出的开路电压Voc随环境中待测气体的化学性质和浓度的变化发生相应变化。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于有机-无机异质结的光伏自驱动柔性气体传感器，所述气体传感器包括由气敏薄膜与导电聚合物纳米纤维构成的太阳能收集模块，所述气敏薄膜的背面贴有导电玻璃作为电极A，所述导电聚合物纳米纤维的基底为制备有金属电极B的柔性有机基底，并用导电银浆粘合导电聚合物纳米纤维和电极B。

将太阳能收集功能和气敏功能的统一在一个单元和器件中，气敏薄膜与导电聚合物纳米纤维结合以构成太阳能收集模块。气敏薄膜的背面贴有导电玻璃作为电极，太阳光或工作光照从此侧照射。导电聚合物纳米纤维的基底为制备有金属电极图案的柔性有机基底，并用导电银浆粘合导电聚合物纳米纤维和电极。自驱动传感器的输出信号为太阳光收集模块在异质结上产生的开路电压Voc，同时气敏材料表面会与吸附的气体分子发生反应导致气敏材料中多子浓度变化，从而影响p-n异质结的耗尽区宽度即内建电场，最终在0偏压的测试条件下体现为输出的开路电压Voc发生相应变化。