Adv. Funct. Mater.：基于窄帶隙鈣鈦礦的寬響應光電探測器

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦由于其優異的光學和電學性能，已經被證明是制備高靈敏度的光電探測器的理想材料。目前，大多數鈣鈦礦光電探測器的研究主要以甲基鉛碘（MAPbX₃，X為Cl，Br或I）鈣鈦礦作為活性層。盡管所報道的鈣鈦礦光電探測器展現了良好的性能，但MAPbX₃鈣鈦礦相對大的帶隙（1.55eV或更大）將其響應光譜范圍限制在了紫外-可見光范圍。實現從紫外到近紅外波段的寬響應鈣鈦礦光電探測器是一個巨大的挑戰。目前制備寬響應鈣鈦礦光電探測一種最常采用的方法是將MAPbI₃鈣鈦礦層與窄帶隙聚合物或量子點層集成到單個器件中。然而，這些探測器在近紅外波段的響應較低（EQE<40％），這將會限制其在實際中的應用。基于窄帶隙鈣鈦礦的光電探測器是實現具有較強近紅外響應的寬響應鈣鈦礦光電探測器較為理想的替代方案。

【成果簡介】

近日，北京交通大學張福俊課題組與美國托萊多大學鄢炎發課題組基于窄帶隙(?1.25 eV)鈣鈦礦(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4成功制備了響應光譜范圍覆蓋300-1050 nm的寬響應鈣鈦礦光電探測器。通過優化鈣鈦礦層及電子傳輸層C₆₀的厚度，器件性能得到了極大的提升。當鈣鈦礦層和C₆₀層厚度分別為1000 nm和70 nm時，器件在350-900 nm的范圍內展現了幾乎平坦的EQE光譜，EQE值大于65%。同時，優化的器件在-0.2 V的偏壓下暗電流僅為3.9 nA，在近紅外波段展現了超過0.4 A/W的響應度以及超過10¹² Jones的比探測率，遠優于以鈣鈦礦/窄帶隙聚合物或鈣鈦礦/量子點作為活性層的光電探測器以及和商業無機寬響應光電探測器。相關內容以題為“Highly Sensitive Low-Bandgap Perovskite Photodetectors with Response from Ultraviolet to the Near-Infrared Range”發表在了Advanced Functional Materials上。本文的第一作者為博士生王文斌及趙德威博士。

【圖文導讀】

圖1 材料的XRD、SEM及吸收光譜

(a) 不同厚度(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 鈣鈦礦薄膜的XRD衍射圖

(b) 不同厚度(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 鈣鈦礦薄膜的俯視SEM圖

(c) 以1000 nm厚的有源層制備的光電探測器的截面SEM圖

(d) 不同厚度(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 鈣鈦礦薄膜的吸收光譜

圖2 器件的光場分布模擬及性能表征

(a) 以1000 nm厚的(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 鈣鈦礦作為活性層器件的光場分布

(b) 以1000 nm厚的(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 鈣鈦礦作為活性層器件的短路電流

(c) 不同厚度活性層器件的EQE光譜

(d) 不同厚度活性層器件的J-V曲線

圖3 J-V曲線、EQE、噪音電流及比探測率

(a) 不同厚度C₆₀層作為電子傳輸層器件的J-V曲線

(b) 不同厚度C₆₀層作為電子傳輸層器件的EQE光譜

(c) 以30 nm和70 nm C₆₀作為電子傳輸層器件的噪音電流

(d) 以30 nm和70 nm C₆₀作為電子傳輸層器件的比探測率

圖4 瞬態響應、LDR及穩定性測試

(a) 器件在900 nm光照下、0.05 Hz斬波頻率下的瞬態光電流

(b) 器件在900 nm光照下的響應速度，斬波頻率為3500 Hz

(c) 器件的線性動態范圍

(d) 器件的穩定性測試

【總結】

通過使用窄帶隙鈣鈦礦(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4 作為活性層，實現了響應光譜范圍覆蓋紫外到近紅外的鈣鈦礦光電探測器，同時，優化的器件在近紅外波段的響應遠大于以鈣鈦礦/窄帶隙聚合物或鈣鈦礦/量子點作為活性層的光電探測器以及和商業無機寬響應光電探測器。該寬響應光電探測器將在多色探測領域有重要的應用。

文獻鏈接：Highly Sensitive Low-Bandgap Perovskite Photodetectors with Response from Ultraviolet to the Near-Infrared Region (Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703953.)

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