光伏型自驱动光电探测器性能的研究

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光信号向电信号的转换是科学进步的重要环节,与我们的日常生活息息相关。光电探测器是一种将光信号转换为电信号的典型光电器件,广泛应用于航空航天、生物医学成像、环境检测等多个领域。因此充分利用光电转换机理,制备低成本、高性能的光电探测器一直处于该领域的关注前沿。从能源利用角度上来看,具有光伏结构的自驱动光电探测器能够利用自身结构实现自供电,在边远地区的森林火灾监测等领域具有重要应用前景。目前光伏型自驱动光电探测器发展迅速,但仍处于仍有很大的发展空间。因此在本课题中,我们参考了该领域的发展现状,开展了如下工作:在第一部分工作中,本文聚焦于PbS量子点(Quantum dots,QDs)光伏型自驱动光电探测器。常规量子点薄膜中的载流子通过点对点跳跃形式传输,电荷跳跃传输时被缺陷俘获几率大,且传输时间长,由此引发严重的激子和载流子非辐射复合,不利于载流子的传输。我们通过在PbS QDs中掺杂2D材料Ti3C2TxMXene,构筑了Ti3C2TxMXene与PbS QDs的体异质结系统。光电测试分析发现,该系统可降低电子频繁跳跃传输次数,促进了电荷的提取,从而降低被缺陷俘获的几率,抑制非辐射复合。同时我们关注到Ti3C2TxMXene表面富含空间位阻较大且电负性较弱的氧基和羟基,与量子点的紧密接触较差,不利于电子的转移。本文通过卤化反应将Ti3C2TxMXene表面的氧基、羟基官能团置换为卤素官能团,制备出Br-Ti3C2TxMXene,改善了其与PbS QDs之间的电学耦合,进一步提高了电荷的传输与转移。测试结果表明,基于Br-Ti3C2TxMXene:PbS QDs体异质结系统的光伏型自驱动光电探测器的近红外探测性能显著提高。在808 nm无外置偏压的自驱动模式下,响应度达到810 m A/W,比探测率高达9.2×1013琼斯(Jones)。最后验证了基于Br-Ti3C2TxMXene:PbS QDs体异质结系统的光伏型自驱动光电探测器在小车测速和近红外成像领域的应用前景。PbS QDs含有毒成分铅,对环境存在潜在的危害,且QDs合成过程复杂,不利于大规模制备。研究工艺简单的无铅材料光电探测器是一个很重要的方向,因此我第二个工作聚焦于无铅钙钛矿Cs2SnI6自驱动光电探测器性能的研究。Cs2SnI6是一种具有良好的相稳定性和成分稳定性的双钙钛矿材料,在光电器件中具有一定的应用前景。迄今为止,很少有报道关注致密均匀的Cs2SnI6薄膜的制备。本文通过一种简单、低成本的溶液法,制备出致密完整的Cs2SnI6薄膜。研究发现,旋涂Cs2SnI6薄膜的前驱体后,通过前驱体补偿策略(Precursor compensation treatment,PCT)可以补偿易挥发性的SnI4的蒸发损失,从而形成无针孔的纯相Cs2SnI6双钙钛矿。改性后的n型Cs2SnI6双钙钛矿薄膜的电导率和迁移率有明显提高,电荷复合损失降低。结果表明,在0V偏压下,PCT制备的光电探测器的光电流增益为151,而对照样品的光电流增益为88。器件的响应度(对照组由0.0059 m A/W提升至1.07 m A/W)和探测率(对照组由2.94×1010Jones提升至6.03×1010Jones)在自驱动模式下得到了显著提升。此外,PCT-Cs2SnI6光电探测器表现出良好的长期稳定性,在室内环境中保存28天后,探测率保持在其初始探测率的98%。本研究为制备高质量的Cs2SnI6薄膜及其在高效光电器件上的应用奠定了基础。
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