基于钙钛矿材料的高性能光敏探测器研究

摘要

光探测器在成像、监测、信号传输等方面起着重要的作用。而具有高迁移率、高吸收系数的有机金属卤代钙钛矿材料使低成本、宽光谱响应以及高灵敏度的新型光探测器成为了可能。目前，钙钛矿光伏器件是国内外研究热点，并在很多领域取得了巨大的进展。但是基于钙钛矿材料的光敏探测器研究尚处于起步阶段，有很多问题急需解决。例如，其近红外及红外响应非常弱，器件可重复性较低，以及较短的器件寿命等。针对这些问题，本论文首先运用钙钛矿对紫外、可见光高吸收效率的特点，结合单晶硅对近红外、红外的吸收优势发展出了以钙钛矿/单晶硅平面异质结为基础的宽光谱响应光敏二极管，其光谱响应覆盖范围达到约400~1000 nm。其次，利用钙钛矿材料大扩散长度的特性研发了一种具有1×106开关比的高灵敏度平面光电导探测器。最后，本文运用钙钛矿材料的柔韧性结合有机小分子层研发了一种性能优良的宽光谱柔性探测器。同时，本文利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对钙钛矿成膜过程进行优化，并运用氯取代纯碘代钙钛矿从而显著提高了器件可重复性及器件寿命。本文的结论和创新一共分为三大部分： 第一，介绍了一种基于钙钛矿/单晶硅的平面异质结有机-无机杂合光敏二极管，它结合了钙钛矿及硅的光谱吸收优势。解决了钙钛矿在红外区以及单晶硅在紫外区的吸收劣势。更重要的是，PVP修饰工艺作为一种调控钙钛矿薄膜结晶形貌的手段获得了很大的成果，它使器件具备了高光响应均匀度及器件制备可重复性。实验结果显示，在400-800 nm光谱区域上器件具有很高的光谱响应均匀度（uSR= 0.85），同时在器件制备可重复性方面的性能偏差平均只有2.1%。而且该器件具有超高的响应速度（645 μs），以及良好的开关特性和优秀的光暗比（Ion/Iof=1322）。 第二，为了改善垂直结构光探测器中较高的暗电流及较低的灵敏度，我们研究了基于钙钛矿的平面光电导探测器，并通过改善活性层性能以及电极材料优化使器件的性能表现令人满意。结果显示该器件具有非常高的光暗比（高至3.5×106）以及很低的暗电流（0.01 nA）。此外，器件还获得了高达11.5 A/W的光响应度。同时，通过 XPS 能谱分析，该工作还揭示了金属铝会在钙钛矿薄膜上发生剧烈氧化的事实。而应用氯取代纯碘代钙钛矿（CH3NH3PbI3?xCl x）也在本次的器件稳定性测试中得到了较好的效果。此项基于钙钛矿光敏探测器的研究为今后开发高灵敏度的光敏探测器提供了一个新的思路。 最后，我们创新性地提出将钙钛矿与酞菁类有机小分子薄膜结合的平面异质结宽光谱光敏探测器，该探测器具有紫外-近红外的宽光谱响应。而且经过1000次弯曲后光响应度几乎没有变化，拥有很强的物理柔韧性。利用多孔状钙钛矿及三斜晶相酞菁铅薄膜的性能优势使该器件拥有皮安级的暗电流以及~600 ns的光响应速度。同时，器件还具有104的光暗比。这一成果对今后研发柔性、高灵敏性的宽光谱探测器有着重要的意义。

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