自驱动钙钛矿光电探测器的制备及性能研究

作     者：王典典 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田维

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：钙钛矿 光电探测器 异质结 宽带 高性能 

摘      要：光电探测器是一类将光信号转换成电信号的光电器件,能够识别特定光强和波长下的光,应用广泛,包括环境检测、图像传感、光通讯等方面。有机-无机杂化钙钛矿材料具有高的吸光系数、可观的载流子扩散长度、可调的带隙、简易的制备方式等诸多优点,成为取代传统半导体材料的最优选择之一。虽然有机-无机杂化钙钛矿材料优点众多,但仍存在一些亟待解决的问题,比如溶液法制备的钙钛矿薄膜的体相和界面处存在大量缺陷、薄膜稳定性差和吸光范围不足等。为了促进钙钛矿光电器件商业化,提升器件性能和稳定性并拓宽响应光谱范围十分必要。钙钛矿层作为光电探测器的吸光层,其薄膜质量、吸光范围、与其它层能级匹配情况最终决定器件的光电性能。因此,提高钙钛矿薄膜的质量、促进载流子的提取和传输、拓宽钙钛矿的吸收光谱范围是制备高性能宽带光电探测器的主要途径。针对以上提出的问题,本论文主要开展以下工作:1.使用反溶剂的方式制备了基于聚-3己基噻吩(P3HT)/FAPbI3钙钛矿异质结的高质量薄膜,在此基础上制备了结构为ITO/SnO2/钙钛矿/P3HT/Spiro-OMeTAD/Ag的光电器件。与未加P3HT的钙钛矿对比发现,首先,P3HT渗在晶界处,可以有效钝化钙钛矿薄膜,减少缺陷态密度,提高薄膜质量和光吸收能力;其次,通过测量并计算薄膜的能级,发现P3HT可以调控钙钛矿表面的能级使其与空穴传输层Spiro-OMeTAD更加匹配,这对载流子的提取和传输很有利,并能减少其复合。在无外加偏压条件下测试,结果表明,优化后的器件最大响应度和探测率值分别为0.41 A/W和0.61×1012Jones(700 nm),分别是未优化器件的2倍和6倍;此外,P3HT是疏水材料,部分停留在钙钛矿表面的P3HT能有效提高薄膜和器件的稳定性,优化后的器件在空气环境中(10-20%的湿度,室温)放置720h后,仍保留初始值约78%的光电流,远优于未优化的器件。2.为了拓宽铅基钙钛矿的响应光谱范围,本论文采用的方式是将Sn元素掺入钙钛矿中,然而SnI2更易与MAI反应,成核-结晶速率过快,从而导致薄膜质量变差,其次,Sn2+易氧化成Sn4+,Sn4+会带来更多缺陷,同时Sn4+的引入会使薄膜带隙增加。为了解决这些问题,采用将MACl加入到Pb-Sn混合钙钛矿前驱体溶液的方式。MACl不仅使前驱体溶液更加稳定,抑制溶液中Sn2+的氧化,而且能大大延缓Pb-Sn钙钛矿的成核-结晶速率,这些有助于获得无孔洞、高质量的钙钛矿薄膜。即使掺入的Sn含量增加,同不含MAC1的器件相比,含MAC1的光电流增加、暗电流减少。此外,对基于MAPb0.9Sn0.1I3器件的稳定性进行了测试,测试结果显示,放置在空气环境中408 h后,含MACl的器件,器件的光电流值仍然保持为初始值的75%,远高于不含MACl的器件。