全无机无铅Bi基钙钛矿光电探测器的制备及性能研究

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近年来,卤化铅钙钛矿材料因其具有高载流子迁移率、高光吸收系数、低缺陷态密度等优点,在太阳能电池、光电探测器、发光二极管等领域取得了巨大成就。然而,受限于卤化铅材料的不稳定性和毒性难以在光电领域进一步发展。因此,开发高稳定的环保型无铅钙钛矿材料成为一项研究重点。Bi基钙钛矿材料由于其较高的热稳定性及无毒等优点,成为研究的热点。本文基于简便的溶液法制备Bi基钙钛矿薄膜,并构筑具有自驱动特性的光电探测器。首先,本文通过优化钙钛矿前驱体中混合溶剂的比例、调节旋涂的转速、引入预热步骤等,以获取高质量的Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜,并构筑具有FTO玻璃/Sn O2/Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜/碳电极结构的光电探测器(PD)。该结构中,廉价的碳电极取代昂贵的空穴传输层和Au等金属电极,在简化了器件结构和降低制备工艺复杂度的同时还节省了成本;同时,较厚的碳电极起到隔绝空气中的水氧,保护了钙钛矿层免受侵蚀。最终,优化后的具有自驱动特性的器件表现出优异的光电性能及稳定性,其线性动态范围(LDR)可达100 d B,光暗电流开/关比超过10~4,在空气环境中(室温,湿度为50%-60%)存放25天后光电流没有明显衰减。然后,在前一个工作的基础上,通过在Cs2AgBiBr6钙钛矿前驱体中引入离子液体(IL),显著降低了Cs2AgBiBr6钙钛矿薄膜的退火温度(由初始的285℃降低至150℃),并提高了器件稳定性。最终,首次制备了高性能、柔性的Cs2AgBiBr6光电探测器。通过优化,低温制备的Cs2AgBiBr6钙钛矿探测器实现了较高的器件性能,如:开/关比高达1.66×10~4,线性动态范围为100 d B,探测度高达1.87×1012Jones。此外,柔性Cs2AgBiBr6钙钛矿器件的探测度也高达8.04×1011Jones,且具有很好的柔性稳定性。这些结果在推动无铅钙钛矿应用于柔性光电器件领域有很大前景。最后,对Ag2BiI5型钙钛矿器件进行了研究。采用溶液法制备Ag I与BiI3不同比例的前驱体,确定Ag2BiI5型钙钛矿器件为具有最优性能的配比,并进一步探索不同的前驱体溶液浓度和旋涂过程的转速,优化了Ag2BiI5薄膜的晶体结构、表面形貌和光吸收,制备了具有FTO/Sn O2/Ag2BiI5/碳电极结构的高性能的自驱动PD。最终,优化后的Ag2BiI5PD实现了对弱光的良好检测能力(在光强为34 n W/cm~2的473 nm激光照射下,探测度高达5.3×1012Jones),以及138 d B的线性动态范围(LDR)。此外,未封装的PD在空气中表现出良好的光稳定性、热稳定性和储存稳定性。更重要的是,在钙钛矿的制备过程中,无需使用甲苯、氯苯等任何有毒反溶剂,器件的工艺更加环保与安全。
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