有机/无机杂化钙钛矿材料的制备及光探测器应用

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光电器件是当代光电信息系统的核心,器件性能的优劣是决定光电系统能否高效、快速和准确地进行信息处理的关键因素之一。以不同的光吸收材料为基础,通过结构设计、制备优化和应用拓展等研究来探索具有更高性能的新型光电子器件,是光电信息系统的重要研究内容。2009年,研究报道有机/无机杂化钙钛矿材料具有优异的光电特性,如直接带隙、光吸收系数高、可溶液加工且缺陷态密度低、载流子迁移率高和扩散长度长等,在接下来的几年间,作为核心的光吸收层材料,在太阳能电池领域进行了广泛而深入的研究。与此同时,人们开始探索钙钛矿材料在其他光电器件中的应用,包括发光二极管、光探测器、激光器等。本论文以钙钛矿光探测器作为研究对象,通过探索在不同衬底上的钙钛矿薄膜制备方法,分析器件物理机制、优化器件结构,得到了高性能的钙钛矿光探测器件,为其在光通信系统中的应用奠定了一定的研究基础。首先,采用溶剂诱导快速结晶法在玻璃衬底上制备钙钛矿薄膜,通过对材料表征发现,制备得到的钙钛矿薄膜具有无空隙、致密度高、晶粒尺寸大等优点。为了进一步表征钙钛矿薄膜质量,我们制备了相应的钙钛矿光探测器。结果发现,相较于一步溶液法,基于这一薄膜制备技术得到的光探测器性能明显提升,其灵敏度最高为3.7 A/W,外量子效率最高为806%,响应时间分别为770μs叫和7 ms。为解决钙钛矿在空气中稳定性差的问题,我们利用PMMA对器件进行封装覆盖,发现在大气环境下存放15天,器件的响应度下降约7%左右,具有较好的稳定特性。其次,基于柔性可穿戴电子设备的发展需要以及柔性衬底上钙钛矿薄膜制备质量较差的现状,我们开发了一种新型的基于柔性衬底的钙钛矿薄膜制备技术——蒸气辅助溶液法,成功地在柔性PET衬底上制备了高质量高致密的钙钛矿薄膜,柔性光探测器的响应度最高为3.3 A/W,外量子效率最高为600%,响应时间分别为900 μs和995 μs,性能良好。蒸气辅助溶液法具有普适性,能够在多种衬底上制备高质量薄膜,在光电器件制备和开发中具有有重要的应用价值。
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