新型有机/无机杂化材料的光电器件应用研究

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近年来,新型有机/无机杂化材料因为其优良的光电性质,在太阳能光伏电池和光电探测器中展现出广阔的应用前景。随着人们对钙钛矿材料认识的深化,其太阳能电池器件的光电转换效率短短几年就从最初的3.8%上升到目前的22.1%,并且在大面积制备技术中光电转换效率有了突破性进展。同时,将钙钛矿作为感光材料在光电器件中也被广泛应用,如制备光电探测器、光电晶体管等。本论文中我们围绕有机无机杂化钙钛矿材料的光电应用开展了探索研究,并针对不同构型的器件采用了不同的钙钛矿合成方法。本论文的主要工作和创新点主要包括以下三个方面:1.我们探索了在大气环境下制备高品质钙钛矿薄膜的简单方法,并将该方法用于优化钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层,在电池器件的性能方面有了极大提高。针对在大气环境下两步法溶液合成的钙钛矿薄膜由于其晶粒尺寸大小不均匀且容易产生孔洞不致密的缺点,我们采用简单的碘甲胺溶液修复的方法,明显改善了两步法制备的薄膜的质量。修复过的薄膜表现出长的载流子寿命和低的缺陷密度以及高的复合电阻,相应的太阳能电池的效率有了极大提升。该方法为钙钛矿电池的工业化制备提供了新思路。2.我们探索了将钙钛矿材料与有机小分子材料结合构成杂化异质结构场效应晶体管的方法并将其用作光电探测器,拓展了钙钛矿材料的应用。我们采用C8BTBT作为有机材料,考虑到有机分子不稳定的特点,我们采用通过共蒸碘甲胺与碘化铅的方法在C8BTBT薄膜晶体管表面制备了钙钛矿层,这种杂化器件结构表现出优良的电学性质和光电探测性能。器件的迁移率超过了5 cm2V-1s-1,在473 nm激光的光响应为30 A/W,响应时间大约为0.1 s。通过改变有机活性层的无序度,在变温实验中,我们解释了杂化光电晶体管中光生载流子的输运特性。3.我们通过将钙钛矿覆盖在二维材料MoS2场效应晶体管的表面,极大的提升了光电晶体管的光探测性能。二维材料因为其性质稳定,迁移率高,光电性能优良等特点被广泛研究,但由于二维材料原子级别的厚度导致其不能很好的吸收光,因此结合钙钛矿材料优良的光电特性,钙钛矿硫化钼异质光探测器表现出优良的性能。我们采用先物理气相沉积(PVD)碘化铅薄膜,然后化学气相沉积(CVD)将碘化铅制备成钙钛矿的方法,此方法可以精确控制钙钛矿层的厚度。杂化光电探测器的光响应度高达104 A/W,响应时间约40 ms。探测器性能的提升归因于钙钛矿层对光的吸收和光生载流子从钙钛矿层到硫化钼沟道中的有效注入。本工作可能给构建高性能的杂化结构光电器件提供了新的途径。
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