CN209182276U - 一种甲胺监测器 - Google Patents

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秦校军
赵志国
董超
熊继光
邬俊波
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Abstract

本实用新型提供的一种甲胺监测器，包括透明电极层、功能层、金属对电极层和外接电流表，其中，透明电极层、功能层和金属对电极层依次层叠而成，且透明电极层、功能层和金属对电极层的面积依次减小；功能层包括电子传输层和钙钛矿活性层，其中，钙钛矿活性层层叠在电子传输层上；通过该甲胺监测器能够迅速的监测出甲胺，且设备变化明显，完全优于其他常规甲胺监测器件；同时金属对电极层能够有效的将空穴从钙钛矿层中抽出并将光电流导出到外电路，简化了器件的制备工艺、降低了器件的制备成本。

Description

一种甲胺监测器
技术领域
本实用新型属于新型环保和安全设备领域，具体涉及一种甲胺监测器。
背景技术
甲胺是一类常见的有机化合物，化学式为CH3NH2，是重要的有机化学工业原料，常被大量使用于其他化学品的制备。甲胺具有较强的生物毒性，具有较强烈的刺激性气味，与空气混合则极易发生燃烧、***等危险。由于甲胺的使用量很高，因此如果在保存和运输过程中没有有效的安全措施和预警设备，易产生安全隐患。我国有多地曾报道过甲胺泄露带来的环境危害和人身、财产损失。因此，设计一种能够快速对周围气氛中的过量甲胺气体产生响应的安全预警设备，具有较大意义。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种甲胺监测器，解决了现有的甲胺在运输过程中没有有效的安全措施和预警设备，导致易发生安全隐患的缺陷。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型提供的一种甲胺监测器，包括透明电极层、功能层和金属对电极层，其中，透明电极层、功能层和金属对电极层依次层叠而成。
优选地，功能层包括电子传输层和钙钛矿活性层，其中，电子传输层和钙钛矿活性层依次层叠在透明电极层上。
优选地，电子传输层的厚度为10-40nm。
优选地，钙钛矿活性层的厚度为500-700nm。
优选地，钙钛矿活性层上还层叠有空穴传输层。
优选地，空穴传输层上还层叠有阻隔层。
优选地，所述透明电极层为ITO、FTO或AZO导电玻璃。
优选地，金属对电极层的厚度为30-100nm。
优选地，透明电极层、功能层和金属对电极层的面积依次减小。
优选地，透明电极层和金属对电极层上裸露区域分别连接有外接电表的正负极。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种甲胺检测器,通过透明电极层将光电流引向外电路，电子传输层介于透明电极层和钙钛矿活性层之间，起到连结作用，钙钛矿活性层为本例的核心材料层，起到监测甲胺的关键核心作用，其监测甲胺的原理为，当使用甲胺铅碘作为该层的材料时，气氛中过量的甲胺气体可以和已经结晶的甲胺铅碘黑色薄膜发生反应，形成淡黄色透明的复合物MAPbI3·xMA，使得原本可以进行光电转换的钙钛矿型太阳能电池器件失效，因此甲胺气体可以该器件同时发生两种可观的变化：1、黑色的钙钛矿层结晶薄膜变为淡黄色透明薄膜，肉眼或监视器等设备即可观察；2、钙钛矿电池器件失效，外接电路如电流表等可以监测到光电流大幅下降；该反应响应迅速，变化明显，完全优于其他常规甲胺监测器件；金属对电极层能够有效的将空穴从钙钛矿层中抽出并将光电流导出到外电路，简化了器件的制备工艺、降低了器件的制备成本。
附图说明
图1是本实用新型甲胺监测器的原理示意图；
其中，1、透明电极层 2、功能层 3.金属对电极层 4、外接电流表。
具体实施方式
在描述本实用新型的实施方案时，为了清楚起见，使用了特定的术语；然而，本实用新型无意局限于所选择的特定术语；应了解每个特定元件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
钙钛矿型半导体材料甲胺铅碘(化学式CH3NH3PbI3，也即MAPbI3)是目前新型太阳能电池中的明星材料，其具有材料廉价、制备简单、光电转换能力强等特点，在研究过程中我们发现，气氛中过量的甲胺气体可以和已经结晶的甲胺铅碘黑色薄膜发生反应，形成淡黄色透明的复合物MAPbI3·xMA，使得原本可以进行光电转换的钙钛矿型太阳能电池器件失效，同时，该化学反应非常灵敏，反应速度较快，适合于进行监测传感器方面的拓展应用。
因此，本专利所使用的技术方法的主要原理为：利用在透明电极上构建的简化的钙钛矿型光电转换器件，将一部分活性材料MAPbI3层暴露于空气中，当空气中有泄露的甲胺气体存在时，其将与MAPbI3发生化学反应：1、黑色的钙钛矿层结晶薄膜变为淡黄色透明薄膜，肉眼或监视器等设备即可观察；2、钙钛矿电池器件失效，外接电路如电流表等可以监测到光电流大幅下降。这两个现象具有观察方便、响应迅速等特点，适合于进行环保和安全监测。
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种甲胺监测器，包括透明电极层1、功能层2、金属对电极层3和外接电流表4，其中，透明电极层1、功能层2和金属对电极层3依次叠加，同时，外接电流表4的正负极分别与金属对电极层3和透明电极层1连接。
其中，透明电极层1采用的是沉积有透明电极的玻璃基底，所述透明电极为ITO、FTO或AZO,其面积不限(本实施例采用的是大小为3×3cm2)；优选使用常见的ITO、FTO、AZO等，可选用柔性PET、刚性高透玻璃等作为基底进行制备和应用，使得该甲胺监测器的应用范围和应用场景得到拓展。其能级经过对材料本身的特殊修饰处理后更能匹配功能层中SnO2、TiO2的能级，使得电流传输更为顺畅，扩展了器件的检测范围；如对于ITO即氧化铟锡，可通过调节其锡掺杂程度来调节其能带，如锡掺杂为5％-10％时，所得到的透明电极层较为合适。
在使用前，应将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用。
功能层2包括两层结构，第一层是电子传输层,采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂法制备而成；本实施例中，电子传输层采用的是SnO2或TiO2，
特别的，本实用新型采用的溶液旋涂方法制备该层，可将粒径为2-20nm的氧化锡纳米粒子悬浮液直接作为旋涂液，在透明电极层基底上以2500-6000RPM、40-80s的旋涂参数进行10-40nm不同厚度的氧化锡层的制备，
特别的，本实用新型采用3000RPM、60s的旋涂参数获得厚度约为30nm的氧化锡层；
第二层是在电子传输层上制备的钙钛矿活性层，其材料的结构为(RNH3)AXnY3-n(R＝烃基；A＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数)，优选使用CH3NH3PbI3(即MAPbI3)，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成。
特别的，以DMF为溶剂，配制含钙钛矿的浆料，其中，浆料中含20-45％的钙钛矿；优选浆料中含35％的钙钛矿；在基底上以1000-3000rpm，40-80s的旋涂参数进行500-700nm不同厚度的钙钛矿层制备，
特别的，采用2000rpm，60s的旋涂参数可以获得厚度为600nm的钙钛矿层，然后经90-150℃退火30min，优选为120℃，即可得到黑色的钙钛矿层薄膜。
当功能层2制备完成后，可将一部分功能层用刮刀刮除，本实施例中，除去的面积为0.5cm，露出部分的透明电极ITO层备连接外接电流表4等使用。
同时，在钙钛矿活性层上还可加一层空穴传输层，空穴传输层采用的材料通常为硫氰化亚铜、碘化亚铜、PTAA、spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS，其作用为更好地将空穴从钙钛矿活性层中导出至金属对电极层中，即电子传输层-钙钛矿活性层-空穴传输层3层结构；
同时，还可在上述空穴传输层上加一层阻隔层，阻隔层的材料通常为碳纤维、石墨烯、还原石墨烯氧化物，其作用为进一步调节能级，优化空穴传输，同时减少金属对电极层对空穴传输层的腐蚀和渗透效应，即电子传输层-钙钛矿活性层-空穴传输层-阻隔层4层结构。
需要特别注意的是，如果采用空穴传输层和阻隔层，其厚度必须足够小、同时面积应比钙钛矿活性层小，尽量减少妨碍钙钛矿活性层与甲胺气体的接触；而加入上述层的优势在于，提高了在正常状态下的光电流，使得在器件在接触甲胺气体失效后电流的变化更为明显，同时提高了器件的耐用性。
金属对电极层3采用的材料为金、银、铝、铂等金属，可采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积、激光沉积等方法制备，在制备过程中，还可以使用卷对卷工艺进行制备，即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。
特别的，以直径为100-200nm，长度50-150μm的银纳米线溶胶作为原材料，配制浓度20g/L的异丙醇溶液；利用刮刀涂布方法制备金属对电极层，其中，刮刀涂布的工艺参数：刮刀涂布速度为10-30mm/s，优选为20mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底间距为50μm；涂布后，在氮气中进行退火处理，退火温度为75-100℃，退火时间为10-20分钟，优选退火温度为90℃，退火时间为15分钟，得到厚度为30-100nm的金属对电极层。
所得的金属对电极层的面积应小于功能层2，如图1所示，以使部分功能层暴露于空气，利用钙钛矿遇到甲胺会由黑色薄膜变为淡黄色透明薄膜的原理来进行甲胺的指示预警；另外，本例中由于采用金属纳米线对电极，其较为疏松的结构使得甲胺等小分子易于透过，利于其与内部的钙钛矿层发生反应。
连接透明电极层1和金属对电极层3的外接电流表4：用于监测和指示该器件产生的光电流大小，本例中量程可为1-1000mA，有商业化产品存在，只需将正负电极连接到1层和3层即可，也可以使用量程合适的万用表代替。
工作原理为：在持续稳定的光源照射下，外接电流表4会监测到该器件产生的稳定光电流，当气氛中有大量甲胺气体存在时，其会与暴露的钙钛矿层发生反应，除薄膜变色外，其光电转换效率将同时大幅度下降，表现为外接电流表4监测到的光电流明显下降。

Claims (10)

1.一种甲胺监测器，其特征在于，包括透明电极层、功能层和金属对电极层，其中，透明电极层、功能层和金属对电极层依次层叠而成。
2.根据权利要求1所述的一种甲胺监测器，其特征在于，功能层包括电子传输层和钙钛矿活性层，其中，电子传输层和钙钛矿活性层依次层叠在透明电极层上。
3.根据权利要求2所述的一种甲胺监测器，其特征在于，电子传输层的厚度为10-40nm。
4.根据权利要求2所述的一种甲胺监测器，其特征在于，钙钛矿活性层的厚度为500-700nm。
5.根据权利要求2所述的一种甲胺监测器，其特征在于，钙钛矿活性层上还层叠有空穴传输层。
6.根据权利要求5所述的一种甲胺监测器，其特征在于，空穴传输层上还层叠有阻隔层。
7.根据权利要求1所述的一种甲胺监测器，其特征在于，所述透明电极层为ITO、FTO或AZO导电玻璃。
8.根据权利要求1所述的一种甲胺监测器，其特征在于，金属对电极层的厚度为30-100nm。
9.根据权利要求1所述的一种甲胺监测器，其特征在于，透明电极层、功能层和金属对电极层的面积依次减小。
10.根据权利要求9所述的一种甲胺监测器，其特征在于，透明电极层和金属对电极层上裸露区域分别连接有外接电表的正负极。
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CN109490371A (zh) * 2018-11-28 2019-03-19 中国华能集团有限公司 一种甲胺监测器及其制备方法

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