Lösungsverarbeitete flexible Perowskit-Photodetektoren mit hoher Leistung

Einführung

In den letzten Jahrzehnten haben verschiedene anorganische Halbleitermaterialien die größte Aufmerksamkeit der Photodetektorforschung auf sich gezogen, wie InGaAs, GaN, ZnO und Si [1,2,3,4,5,6]. Begünstigt durch ihre hervorragenden optischen und elektrischen Eigenschaften weisen die auf diesen Materialien basierenden Geräte eine hohe Detektivität und schnelle Reaktion auf sichtbares Licht auf. Solche Materialien werden jedoch in der Regel durch äußerst komplexe Ansätze oder unter Verwendung teurer Geräte erhalten [7,8,9], was ein Flaschenhals auf dem Weg zu ihrer kommerziellen Anwendung ist. Daher ist es sehr wichtig, nach vielversprechenderen Ersatzmaterialien zu suchen, um die Kosten zu senken und den Herstellungsprozess zu vereinfachen.

In letzter Zeit waren Hybrid-Halogenid-Perowskite (HHPs) einer der Hotspots der Forschung auf dem Gebiet der Photovoltaik [10,11,12,13,14,15]. In den letzten zehn Jahren wurde die Leistungsumwandlungseffizienz von Perowskit-Solarzellen von 3,8 % auf über 23 % gesteigert [16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27] auf seine bemerkenswerten optoelektronischen Eigenschaften, wie die Vorzüge der optimalen Bandlücke, des hohen Absorptionskoeffizienten und der überlegenen ambipolaren Trägertransportfähigkeit [28,29,30,31]. Darüber hinaus haben Perowskite durch die kostengünstige und einfache Lösungsprozessvorbereitung auch großes Potenzial in der Forschung von Photodetektoren. Trotz der rasanten und beeindruckenden Fortschritte der auf HHP basierenden Photovoltaik-Bauelemente leiden sie jedoch immer noch unter einer geringen Stabilität [32, 33]. Im Vergleich zu HHPs weisen anorganische Cäsium-Bleihalogenid-Perowskite (IHPs) eine bessere Stabilität an der Luft auf, was darauf hindeutet, dass IHPs ein idealer Kandidat für Photodetektoren sind [34, 35]. Obwohl CsPbI₃ ist bei hohen Temperaturen (über 300 °C) instabil, was durch Ersetzen des Br ⁻ . verbessert werden kann Einheit für I ⁻ [36,37,38,39,40,41]. Daher CsPbI_3-x Br_x eignet sich sehr gut für die Entwicklung von Hochleistungs-Fotodetektoren.

In dieser Arbeit haben wir CsPbI_3-x . vorbereitet Br_x (x = 1, 2) Filme für flexible Perowskit-Photodetektoren (PDs). Die flexiblen Perowskit-PDs auf Basis von CsPbI_3-x Br_x zeigte eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit (90 μs/110 μs für CsPbI₂ Br PDs und 100 μs/140 μs für CsPbIBr₂ PDs), ein hohes Ein-/Aus-Verhältnis (10 ⁴ ) und eine hohe Erkennungsrate (10 ¹² Jones) unter einer 520 nm-Lampe mit 10 mV Vorspannung. Inzwischen wies es eine hervorragende mechanische Flexibilität und Umweltstabilität auf. Nachdem das Gerät 30 Tage lang in der Umgebungsluft bei 35–45 % relativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrt wurde, sind die periodischen I-t-Kurven des Geräts nur geringfügig verringert (~  3%). Darüber hinaus zeigten die periodischen I-t-Kurven des Geräts nach 100-maligem Biegen der flexiblen PDs unter einem Biegeradius von 9,12 mm eine vernachlässigbare Änderung (< 3 % Abnahme). Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von CsPbI_3-x Br_x Perowskite für flexible PDs.

Methode

Materialien

Bleijodid (PbI₂ .) , 99,99 %), Bleibromid (PbBr₂ .) , 99,99 %), Bariumiodid (CsI, 99,99 %) und Bariumbromid (CsBr, 99,99 %) wurden von Xi'an Polymer Light Technology Corporation bezogen. Diethylether (DEE), Aceton, absolutes Ethanol, N ,N -Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) wurden von Sigma-Aldrich bereitgestellt.

Die Perowskitlösung wurde wie folgt hergestellt. Die CsPbI₂ Br-Perowskit-Vorläuferlösungen wurden durch Mischen der 1 M (mol L ⁻¹ ) CsBr, 1 M PbBr₂ , 2 M CsI und 2 M PbI₂ in gemischten wasserfreien Lösungsmitteln aus DMSO und DMF (9:1 Volumen). Die CsPbIBr₂ Perowskit-Vorläuferlösungen wurden durch Mischen von 2 M CsBr, 2 M PbBr₂ . hergestellt , 1 M CsI und 1 M PbI₂ in gemischten wasserfreien Lösungsmitteln aus DMSO und DMF (9:1 Volumen). Dann wurden die gemischten Perowskitlösungen bei 75 °C mehr als 2 h gerührt. Alle Lösungen müssen in einer Stickstoff-Handschuhbox hergestellt werden.

Vorbereitung

Flexible Substrate [Polyimid (PI)] wurden nacheinander jeweils 15 Minuten lang mit Aceton, absolutem Ethanol und entionisiertem Wasser gereinigt. Anschließend wurden die Substrate in einem Ofen getrocknet. Anschließend wurde eine ineinandergreifende goldene Elektrode (80 nm) durch thermisches Aufdampfen auf die flexiblen Substrate aufgedampft. Vor der Verwendung wurden die gemusterten Substrate 20 Minuten lang mit UV-Ozon behandelt. Dann wurden die flexiblen Substrate zur Abscheidung von Perowskitfilmen in eine Glovebox überführt. Das CsPbI_3-x Br_x Filme wurden unter Verwendung eines einstufigen Anti-Lösungsmittel-(DEE)-Schleuderbeschichtungsverfahrens hergestellt. Eine 80-Mikroliter-Vorläuferlösung wurde 60 s lang bei einer Geschwindigkeit von 2000 U/min aufgeschleudert. Dann wurden 10 s vor dem Ende des Schleuderbeschichtungsverfahrens 0,5 ml Diethylether auf die Proben gegossen. Anschließend wurden die Proben 5 Minuten lang bei 65 °C und 15 Minuten lang bei 135 °C getempert.

Messungen und Charakterisierungen

Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bilder wurden unter Verwendung von Feldemissions-SEM (FEI-INSPECT F50, Holland) erhalten. Röntgenbeugung (XRD) wurde unter Verwendung eines Bede D1-Systems mit Cu Kα-Strahlung durchgeführt. Das Ultraviolett-Vis-(UV-Vis)-Absorptionsspektrum wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (Schimadzu UV-3101 PC) gemessen. Die Stromspannung (I-V )-Kurven wurden mit dem parametrischen Halbleiteranalysator Keithley 2636 unter Beleuchtung einer LD-Lichtquelle durchgeführt. Der Photostrom wurde mit einem Oszilloskop (Agilent DOS5012A) und einem optischen Zerhacker gemessen, der das auf das Gerät beleuchtete Licht modulierte. Alle Messungen wurden unter Umgebungsbedingungen bei Raumtemperatur durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Antilösungsmittel, die häufig bei der Herstellung von Perowskitfilmen verwendet werden, um eine hochwertige Oberflächenmorphologie zu erhalten. Hier haben wir ein einstufiges Schleuderbeschichtungsverfahren mit Anti-Lösungsmittel (DEE) verwendet, um die Morphologie von CsPbI_3-x . zu verbessern Br_x Filme. Abbildung 1 zeigt die REM-Aufnahmen von CsPbI_3-x . in der Draufsicht Br_x Filme mit oder ohne DEE-Behandlung. Wie in Abb. 1a, b gezeigt, ist der CsPbI₂ Br und CsPbIBr₂ Filme ohne DEE-Behandlung besitzen enorme Pinholes und eine kleine Kristallkorngröße. Im Gegensatz dazu werden nach der DEE-Behandlung bei der Herstellung von Perowskit ein kontinuierlicher Film und größere Körner in den REM-Bildern beobachtet (Abb. 1c, d). Die Ergebnisse von REM-Bildern zeigten, dass die Morphologie des CsPbI_3-x Br_x Filme wurde durch die Behandlung von DEE deutlich verbessert. Daher wurde in der nachfolgenden Arbeit das Anti-Lösungsmittel-Behandlungsverfahren angewendet, um CsPbI_3-x . herzustellen Br_x Filme.

REM-Aufnahme des CsPbI_3-x Br_x Filme. a CsPbI₂ Br, b CsPbIBr₂ ohne DEE-Behandlung und c CsPbI₂ Br, d CsPbIBr₂ mit DEE-Behandlung

Um die Kristallstruktur des hergestellten CsPbI_3-x . zu untersuchen Br_x Filme wurden XRD-Muster durchgeführt. Wie in Abb. 2a gezeigt, zeigen die roten und blauen Linien die XRD-Muster von CsPbIBr₂ . an Filme und CsPbI₂ Br. bzw. Es war klar, in den roten Linien die Hauptpeaks bei 14,75°, 20,94°, 29,96° und 34,93° zu beobachten, die den (100), (110), (200) und (210) zugeordnet sind. Fakten zu CsPbIBr₂ , bzw. [41,42,43]. In den blauen Linien bemerken wir zwei Hauptpeaks, die bei 14,44° und 20,3° zentriert sind, entsprechend den (100)- und (200)-Ebenen des reinen CsPbI₂ Br-α-Phase [44, 45]. Darüber hinaus zu bescheinigen, dass die CsPbIBr₂ und CsPbI₂ Br-Filme wurden erfolgreich hergestellt, UV-Vis-Absorptionskurven und Tauc-Plots wurden gemessen (Abb. 2b–d). Wie in Abb. 2b gezeigt, ist im Absorptionsspektrum von CsPbIBr₂ . eine kleine Blauverschiebung sichtbar Film im Vergleich zum CsPbI₂ Br-Film, der dem Bandabstandsunterschied zwischen CsPbI₂ . zugeschrieben wird Br und CsPbIBr₂ . Um die optische Bandlücke von CsPbI_3-x . zu untersuchen Br_x Film berechneten wir das Energieband (Eg) gemäß der Reflexion und Transmission durch die Tauc-Plots, wie in Abb. 2c, d gezeigt. Aus den Tauc-Plots wurde beobachtet, dass Eg von CsPbI₂ Br und CsPbIBr₂ betrugen 1,91 eV bzw. 2,05 eV, was mit dem vorherigen Bericht [46,47,48,49,50] übereinstimmt. Die Ergebnisse zeigten die CsPbI_3-x Br_x Filme wurden erfolgreich hergestellt.

a XRD-Muster. b Absorption des CsPbI_3-x Br_x Filme. Die Bandlücke von c CsPbI₂ Br und d CsPbIBr₂

Nach Bestätigung der Eigenschaften des behandelten CsPbI_3-x Br_x Folien erstellten wir die flexiblen PDs auf Basis von CsPbI_3-x Br_x Filme. In Abb. 3a die flexiblen PDs mit der Gerätestruktur aus PI/Au-verschränkten Elektroden/CsPbI_3-x Br_x werden gezeigt. Wenn die Perowskitschicht unter einer Vorspannung bestrahlt wird, wird der Ladungsträgertransport in PDs gebildet, wie in Fig. 3b gezeigt. Schließlich werden Elektronen (Löcher) durch Elektroden gesammelt und durch einen externen Stromkreis zirkuliert, um Photostrom zu erzeugen. Um die Leistung von CsPbI_3-x . zu charakterisieren Br_x PDs haben wir den Photostrom unter einer 520-nm-LD-Quelle bei niedrigen Vorspannungen gemessen, wie in Abb. 3c, d gezeigt. Das Ergebnis zeigte, dass der maximale Photostrom von CsPbI₂ Br-PDs und CsPbIBr₂ Die PDs lagen über 180 μA und 120 μA bei einer Beleuchtungsstärke von 8,23 mW/cm ² , bzw. Wichtig ist, dass der Fotostrom des Geräts bei einer Vorspannung von 10 mV gemessen wurde. Um die Reaktionsgeschwindigkeit des Geräts zu bewerten, haben wir den transienten Photostrom des Geräts untersucht. Wie in Abb. 3c, d gezeigt, die Anstiegs- und Abfallzeit von CsPbI₂ Br PDs werden mit etwa 90 μs bzw. 110 μs extrahiert. Die Anstiegs- und Abfallzeit von CsPbIBr₂ Es wurden PDs von etwa 100 μs bzw. 140 μs gefunden. Im Vergleich zu den gleichen strukturellen Geräten, über die zuvor berichtet wurde [12], zeigten die Ergebnisse, dass das Gerät auf Basis von DEE-behandeltem CsPbI_3-x Br_x Die Perowskit-Schicht zeigte eine hervorragende Leistung.

a Gerätestruktur des CsPbI_3-x Br_x flexible PDs. b Schematische Darstellung des Ladungsträgertransports im Gerät unter Beleuchtung. I–t-Kurven des c CsPbI₂ Br PDs und d CsPbIBr2-PDs bei 520 nm Licht bei einer Vorspannung von 10 mV. Die Anstiegszeit (ton) und Abfallzeit (toff) von e CsPbI₂ Br PDs und f CsPbIBr₂ PDs bzw.

Um die photoelektrischen Eigenschaften der PDs weiter zu untersuchen, wurden Dunkelstrom und Photostrom, Ansprechempfindlichkeit und Detektivität gemessen und aufgetragen, wie in Abb. 4 gezeigt. Wie in Abb. 4a, b gezeigt, haben die Dunkelstrom- und Fotostromkurven ungefähre Symmetrie, wenn die Spannung von – 5 auf 5 V geändert wurde. Dieses Ergebnis zeigte die Bildung eines ohmschen Kontakts zwischen dem Metall und der Perowskitschicht an. Da die Kontaktbarriere bei ohmschen Kontakten sehr niedrig ist, können Ladungsträger bei geringer Vorspannung leicht übertragen werden. Bei niedrigen Vorspannungen ist der CsPbI_3-x Br_x flexible PDs besitzen ein hohes Ein/Aus-Verhältnis von ungefähr 10 ⁴ . Reaktionsfähigkeit (R ) und Detektivität (D *) der PDs wurden in Abb. 4c, d gezeigt. Das Bild zeigt, dass die R und D * hatte hohe Werte bei schwachem Licht bei niedriger Vorspannung, insbesondere unter 1 mW, zusammen mit einem hohen D * von 10 ¹² Jones@10 mV-Bias. Zhanget al. gemeldet ein CsPbBr₃ -basierte flexible PDs mit einem D * von 10 ¹⁰ Jones unter 2 V Vorspannung [12]. Dinget al. berichtete über eine starre PDs basierend auf CsPbBr₃ Einkristalle mit einem D * von 10 ¹¹ Jones [51]. Daher ist das CsPbI_3-x Br_x -basierte flexible PDs, die unter niedrigen Vorspannungen arbeiten, zeigen hervorragende Leistungen.

Die Kurven (I-V) von a CsPbI₂ Br PDs und b CsPbIBr₂ PDs für Photostrom (520 nm LD) und Dunkelstrom. Die Reaktionsfähigkeit und Detektivität (Abbildung) des c CsPbI₂ Br PDs und d CsPbIBr₂ PDs (520 nm LD) unter 10 mV Spannung

Umweltstabilität und mechanische Flexibilität sind zwei wichtige Faktoren, die die praktische Anwendung von Photodetektoren auf Perowskitbasis beeinflussen. Wie in Abb. 5 beschrieben, wurden die Umgebungsstabilität und die mechanische Flexibilität der PDs getestet, indem die Änderungen der periodischen I-t-Kurven des Geräts gemessen wurden. Es wurde deutlich beobachtet, dass sich die I-t-Kurven des Geräts leicht veränderten (~ 3% Abnahme für CsPbI₂ Br-PDs und ~ 3 % Abnahme für CsPbIBr₂ PD). Die Stromänderungen der Geräte konnten nach 30 Tagen Umgebungsbedingungen bei 35–45 % relativer Luftfeuchtigkeit ignoriert werden (Abb. 5a, b). Wie in Abb. 5c, d gezeigt, wurde im Vergleich zu den anfänglichen periodischen I-t-Kurven eine vernachlässigbare Oszillation beobachtet (~ 2% Abnahme für CsPbI₂ Br-PDs und ~ 3 % Abnahme für CsPbIBr₂ PDs), nachdem das Gerät hundertmal unter dem Biegeradius von 9,12 mm gebogen wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass unser Gerät eine große Stabilität sowie eine gute mechanische Flexibilität aufweist.

Vergleich der reproduzierbaren I-t-Kurven von a CsPbI₂ Br PDs und b CsPbIBr₂ PDs werden 30 Tage in der Luft aufbewahrt. Vergleich der reproduzierbaren I-t-Kurven von c CsPbI₂ Br PDs und d CsPbIBr₂ PDs, die sich 100 Mal biegen

Schlussfolgerung

Zusammenfassend präsentieren wir die flexiblen Photodetektoren auf Basis von CsPbI_3-x Br_x (x = 1, 2) Filme, die in dieser Arbeit mit DEE behandelt wurden. Die Geräte zeigten eine hervorragende Leistung, die mit Geräten der gleichen Konfiguration vergleichbar war. Bei einer Vorspannung von 10 mV zeigten die Fotodetektoren ein hohes Ein-/Aus-Verhältnis von 10 ⁴ unter 520 nm Beleuchtung, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit (90 μs/110 μs für CsPbI₂ Br PDs und 100 μs/140 μs für CsPbIBr₂ PDs) und eine ausgezeichnete Detektivität (10 ¹² Jones). Darüber hinaus wiesen die flexiblen PDs eine hervorragende Umweltstabilität und mechanische Flexibilität auf. Nachdem das Gerät 30 Tage lang an der Luft bei 35–45 % relativer Luftfeuchtigkeit gelagert wurde, sind die I-t-Kurven des Geräts nur geringfügig abgesunken (~ 3%). Darüber hinaus zeigte sich die Leistung der PDs nach hundertmaligem Biegen des flexiblen PDs mit einem Biegeradius von 9,12 mm vernachlässigbar. Diese Arbeit zeigt das enorme Potenzial von CsPbI_3-x Br_x Perowskite in der Photoelektronendetektion und bietet einen vielversprechenden Ansatz, um eine hohe Leistung zu erzielen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze werden auf begründete Anfrage vom entsprechenden Autor bezogen.

Abkürzungen

DEE:

Diethylether

DMF:

N ,N -Dimethylformamid

DMSO:

Dimethylsulfoxid

HHPs:

Hybrid-Halogenid-Perowskite

IHPs:

Anorganische Cäsium-Bleihalogenid-Perowskite

PDs:

Fotodetektoren

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbar

XRD:

Röntgenbeugung