Высокопроизводительные гибкие фото детекторы на растворимых неорганических перовскитах CsPbI₃₋ₓBrₓ

Аннотация

Неорганические цезий-свинцовые галогенидные перовскиты CsPbI₃₋ₓBrₓ стали перспективными материалами для фото детекторов благодаря отличным оптоэлектронным характеристикам и простоте растворимой фабricации. Здесь мы демонстрируем гибкие фото детекторы, изготовленные модифицированным растворимым подходом, дающие отношение вкл/выкл 10⁴, обнаруживаемость ~10¹² Джонс и время нарастания/спада <100 мкс при смещении 10 мВ при 520 нм освещении. Устройства сохраняют производительность после 30 дней в окружающей среде (35–45% RH) и после 100 циклов изгиба при радиусе 9.12 мм, подчеркивая их механическую надежность и экологическую стабильность. Эти результаты подчеркивают перовскиты CsPbI₃₋ₓBrₓ как убедительную платформу для дешевых гибких фото детекторов нового поколения.

Введение

За последние два десятилетия неорганические полупроводники вроде InGaAs, GaN, ZnO и Si доминировали в исследованиях фото детекторов благодаря превосходным оптическим и электрическим свойствам, дающим высокую обнаруживаемость и быстрые времена отклика. Однако их сложные протоколы роста и высокая стоимость оборудования препятствуют массовому коммерциализации. Следовательно, растет спрос на экономичные, масштабируемые альтернативы, сохраняющие высокую производительность.

Гибридные галогенидные перовскиты (HHP) привлекли значительное внимание в фотовольтаике, с КПД ростом от 3.8% до >23% за десять лет, благодаря оптимальным зазорам, высоким коэффициентам поглощения и амбиполярному зарядовым транспортом. Несмотря на потенциал в фото детекции, HHP страдают от плохой экологической стабильности, ограничивая практическое применение. В отличие от них, неорганические цезий-свинцовые галогенидные перовскиты (IHP) демонстрируют превосходную стабильность в воздухе, делая их идеальными для фото детекторов. Хотя CsPbI₃ деградирует выше 300 °C, частичная замещени йодида бромидом (образуя CsPbI₃₋ₓBrₓ) стабилизирует перовскитную фазу и настраивает зазор.

В этом исследовании мы изготовили гибкие фото детекторы растворимыми CsPbI₃₋ₓBrₓ пленками (x = 1, 2). Полученные устройства демонстрируют быстрый отклик (90 мкс/110 мкс для CsPbI₂Br и 100 мкс/140 мкс для CsPbIBr₂), высокие отношения вкл/выкл (~10⁴) и замечательные обнаруживаемости (~10¹² Джонс) при смещении 10 мВ. Они также показывают выдающуюся механическую гибкость и экологическую устойчивость, позиционируя CsPbI₃₋ₓBrₓ как мощного кандидата для гибких фото детекторов.

Метод

Материалы

Йодид свинца (PbI₂, 99.99%), бромид свинца (PbBr₂, 99.99%), йодид цезия (CsI, 99.99%) и бромид цезия (CsBr, 99.99%) получены от Xi'an Polymer Light Technology Corporation. Диэтиловый эфир (DEE), ацетон, абсолютный этанол, N,N-диметилформамид (DMF) и диметилсульфоксид (DMSO) куплены у Sigma-Aldrich.

Предcursorные растворы перовскитов готовили в инертной атмосфере. Для CsPbI₂Br: 1 М CsBr, 1 М PbBr₂, 2 М CsI, 2 М PbI₂ растворяли в 9:1 объемной смеси безводного DMSO и DMF, затем перемешивали при 75 °C >2 ч. CsPbIBr₂ по аналогичному протоколу с 2 М CsBr, 2 М PbBr₂, 1 М CsI, 1 М PbI₂.

Подготовка

Гибкие полиимидные (PI) подложки последовательно очищали в ацетоне, абсолютном этаноле и дионизированной воде 15 мин, затем сушили в духовке. Интеркалированные золотые электроды (80 нм) термически осаждали на PI. Подложки обрабатывали UV-озоном 20 мин перед переносом в азотную гловбокс для осаждения пленок. CsPbI₃₋ₓBrₓ пленки наносили центрифугированием (80 мкл предcursor, 2000 об/мин, 60 с) с 0.5 мл DEE анти-растворителя за 10 с до конца вращения. Пленки отжигали при 65 °C 5 мин, затем 135 °C 15 мин.

Измерения и характеристики

SEM изображения получали на FEI-INSPECT F50 полевой эмиссионный SEM. XRD собирал на Bede D1 с Cu Kα излучением. UV-vis поглощение записывали на Shimadzu UV-3101 PC. Вольт-амперные характеристики измеряли на Keithley 2636 под 520 нм лазерным освещением. Переходной фотток фиксировали на Agilent DOS5012A осциллографе и оптическом чоппере. Все измерения при комнатной температуре в окружающих условиях.

Результаты и обсуждение

Для высококачественных перовскитных пленок использовали одностадийный центрифугирующий протокол с DEE анти-растворителем. Рис. 1 показывает плановые SEM-изображения CsPbI₃₋ₓBrₓ пленок с и без DEE обработки. Без DEE пленки демонстрируют многочисленные порины и мелкие зерна; с DEE поверхность становится непрерывной, зерна увеличиваются, подтверждая, что DEE значительно улучшает морфологию.

SEM-изображения CsPbI₃₋ₓBrₓ пленок: (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂ без DEE; (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂ с DEE.

XRD паттерны (Рис. 2a) подтверждают формирование орторомбического CsPbIBr₂ (пики 14.75°, 20.94°, 29.96°, 34.93°) и тетрагонального CsPbI₂Br (пики 14.44°, 20.30°). UV-vis спектры поглощения (Рис. 2b) раскрывают умеренный синий сдвиг для CsPbIBr₂ относительно CsPbI₂Br, атрибутируемый включению бромида. Тауковский анализ дает зазоры 1.91 эВ (CsPbI₂Br) и 2.05 эВ (CsPbIBr₂), в согласии с литературой.

(a) XRD паттерны; (b) спектры поглощения; (c) зазор CsPbI₂Br; (d) зазор CsPbIBr₂.

Архитектура устройства (Рис. 3a) состоит из PI/Au интеркалированных электродов, покрытых CsPbI₃₋ₓBrₓ. Под 520 нм освещением фотток генерируется зарядовым транспортом через перовскитный слой (Рис. 3b). Измерения фоттока (Рис. 3c,d) показывают максимальные токи 180 мкА (CsPbI₂Br) и 120 мкА (CsPbIBr₂) при интенсивности 8.23 мВт/см², достигаемые при смещении всего 10 мВ. Переходной отклик (Рис. 3e,f) дает время нарастания/спада 90 мкс/110 мкс (CsPbI₂Br) и 100 мкс/140 мкс (CsPbIBr₂), превосходя сравнимые гибкие устройства.

(a) Структура устройства; (b) схема зарядового транспорта; (c) I-t CsPbI₂Br; (d) I-t CsPbIBr₂; (e) нарастание/спад CsPbI₂Br; (f) нарастание/спад CsPbIBr₂.

Электрическая характеристика (Рис. 4) демонстрирует симметричное I-V поведение от –5 В до +5 В, указывая на омические контакты и пренебрежимые барьеры. При низком смещении устройства достигают отношения вкл/выкл ~10⁴. Ответственность и обнаруживаемость (Рис. 4c,d) пикуют в 10¹² Джонс при 10 мВ, превосходя предыдущие гибкие CsPbBr₃ PD (10¹⁰ Джонс при 2 В) и жесткие одно кристаллические CsPbBr₃ PD (10¹¹ Джонс).

I-V кривые устройств (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂; ответственность и обнаруживаемость (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂ при 10 мВ.

Тесты стабильности (Рис. 5) показывают, что после 30 дней в воздухе (35–45% RH) I-t кривые меняются <3%. Механический изгиб (100 циклов при радиусе 9.12 мм) вызывает пренебрежимое падение производительности <2–3%. Эти результаты подтверждают структурную целостность и экологическую устойчивость CsPbI₃₋ₓBrₓ фото детекторов.

Воспроизводимые I-t кривые после 30 дней в воздухе: (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂; после 100 изгибов: (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂.

Заключение

Мы изготовили гибкие фото детекторы растворимыми CsPbI₃₋ₓBrₓ (x = 1, 2) пленками с DEE обработкой. Устройства достигают отношения вкл/выкл 10⁴, времен отклика 90–140 мкс и обнаруживаемости ~10¹² Джонс при смещении 10 мВ. Важно, что фото детекторы сохраняют производительность после 30 дней в окружающих условиях и после 100 циклов изгиба, демонстрируя экологическую стабильность и механическую гибкость. Эти выводы устанавливают перовскиты CsPbI₃₋ₓBrₓ как надежную, дешевую платформу для высокопроизводительной гибкой фото детекции.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные в этом исследовании, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

DEE

Диэтиловый эфир

DMF

N,N-диметилформамид

DMSO

Диметилсульфоксид

HHPs

Гибридные галогенидные перовскиты

IHPs

Неорганические цезий-свинцовые галогенидные перовскиты

PDs

Фото детекторы

SEM

Растровый электронный микроскоп

UV-vis

Ультрафиолетово-видимый

XRD

Рентгеновская дифракция