基于卤素调控的钙钛矿制备及光电探测器应用研究

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基于传统的无机半导体材料的探测器,如GaN-,Si-和InGaAs-等,被广泛用于紫外到可见光的探测。然而,这些无机材料通常使用极其复杂或昂贵的方法合成。近几年,拥有巨大家族体系的有机-无机混合钙钛矿材料以其优异的自身特性颇受广大研究学者的关注,其制备的太阳能电池的转换效率(PCE)已高达24.2%。特别地,由于杂化钙钛矿薄膜在400nm-800nm的可见光下显示出高的吸光度,从而成为开发紫外到可见到近红外区域光探测的理想材料。单基团MAPbI3钙钛矿材料中掺杂Cl元素,可有效提高薄膜晶粒尺寸,增大薄膜的禁带宽度,使吸收光谱发生微小的蓝移,增加紫外区域的光吸收,从而影响光电探测器的器件性能。本论文研究Cl元素掺杂对钙钛矿薄膜特性的影响以及其在钙钛矿光电探测器和柔性钙钛矿光电探测器中的应用,重点围绕10%PbCl2-MAPbI3-xClx钙钛矿薄膜的制备及器件的性能研究与柔性应用展开。具体研究内容如下:(1)在MAPbI3钙钛矿材料前驱体溶液中加入PbCl2,制备MAPbI3-xClx钙钛矿薄膜。通过SEM、紫外-可见吸收光谱、XRD等测试,对比不同比例掺杂对薄膜的影响,进而得出10%PbCl2掺杂为最合适的掺杂比例。该比例Cl元素的掺杂可以增大钙钛矿薄膜的晶粒尺寸,降低缺陷导致的光生载流子的复合几率,并且可增大薄膜的禁带宽度,使光吸收发生蓝移。(2)采用经过反溶剂冲洗的一步溶液旋涂法制备MAPbI3-xClx钙钛矿光电探测器。通过I-t曲线可以看出,10%PbCl2掺杂的钙钛矿薄膜对紫外与可见两种波段光源具备高灵敏度,在低于0.3V的外加偏压下,可获得高的光电流数值。对于不同强度的光信号,光信号减弱几十倍,光电流受影响波动较小。瞬态光电流曲线表明10%PbCl2-MAPbI3-xClx钙钛矿探测器的响应速度在微秒级别,上升时间和下降时间均低于90μs。从I-V曲线可以得出该探测器的开/关比约为103,其响应度在光信号较弱时相对较高,约为0.05A/W,对于405nm波长的光,其探测率最高达到1011Jones。(3)制备10%PbCl2-MAPbI3-xClx柔性的光电探测器。对器件进行不同程度弯曲测试,发现其性能受影响较小,再进行不同次数的重复弯曲测试,光电流几乎不受影响,证明器件具备稳定的机械柔性,受外弯曲力影响较小。
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