基于甲胺铅碘的高外量子效率光电探测器的结构设计和性能研究

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光电探测器是一种可以将入射光信号转换为电信号的器件,它被广泛的应用到航空航天、光通信、环境监控和生物传感等诸多科学领域。近几年,有机-无机杂化钙钛矿尤其是最典型的MAPbI3展现出优异的光电特性。其高光吸收系数、高载流子迁移率和长载流子扩散长度等光电特性为高性能光电探测器的发展提供了广阔的前景。大量的研究也表明MAPbI3光电探测器拥有优异的探测能力。对光电探测器而言,最为基础的性能参数是外量子效率,光电探测器的探测率与响应度都与它呈正相关关系。因此在现有的基础上提升MAPbI3光电探测器的外量子效率,进一步优化器件的结构,以及获得高性能的器件是十分必要的。本文以MAPbI3及其器件作为研究对象,对MAPbI3的合成方式以及器件的结构进行优化,在获得高质量MAPbI3薄膜的同时提升器件的外量子效率,本文的研究内容如下:(1)采用溶液法制备MAPbI3薄膜,通过在钙钛矿的前驱体溶液中掺入适量的氯甲胺提升钙钛矿薄膜的结晶质量与表面形貌。通过对无掺杂与掺杂氯甲胺的器件的电学性能分析,可以发现掺杂后的薄膜制备的器件的峰值外量子效率从67%提升到81%,响应度从0.38 A W-1提升到0.45 A W-1,探测率从7.03×1011Jones提升到2.71×1012Jones。器件在掺杂氯甲胺后,其他性能参数均得到提升。(2)为打破外量子效率低于100%的限制,获得响应度与探测率更高器件,本文通过界面设计来实现这一目的。采用气相辅助和真空处理技术在C60(A)上制备高质量的MAPbI3薄膜。通过设计双C60层结构提升器件的外量子效率,器件的最终结构为ITO/C60(A)/MAPbI3/C60(B)/Al。受益于ITO与C60(A)之间的隧穿效应,优化后的器件的峰值外量子效率最大达到140000%。在-5 V低偏压下,器件具有1×1014Jones的探测率以及超过600 A W-1的响应度。并且,器件表现出良好的环境稳定性,暴露在空气中24小时后,器件的外量子效率的衰减率仅为10%。
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