Fotodetectores flexibles de perovskita inorgánica procesada en solución con alto rendimiento

Resultados y discusión

Antidisolventes, que se utilizan a menudo en la preparación de películas de perovskita para obtener una morfología superficial de alta calidad. En este documento, utilizamos el método de recubrimiento por rotación en un solo paso con antidisolvente (DEE) para mejorar la morfología de CsPbI _3-x Br _x Película (s. La Figura 1 muestra las imágenes SEM de vista en planta de CsPbI _3-x Br _x películas con o sin tratamiento DEE. Como se muestra en la Fig. 1a, b, el CsPbI ₂ Br y CsPbIBr ₂ Las películas sin tratamiento con DEE poseen orificios enormes y un tamaño de grano de cristal pequeño. Por el contrario, después del tratamiento con DEE en la fabricación de perovskita, se observan películas continuas y granos más grandes en las imágenes SEM (Fig. 1c, d). Los resultados de las imágenes SEM indicaron que la morfología de la CsPbI _3-x Br _x Las películas se mejoraron significativamente con el tratamiento de DEE. Por lo tanto, en el trabajo posterior, se adoptó el proceso de tratamiento antidisolvente para preparar CsPbI _3-x Br _x películas.

Imagen SEM de CsPbI _3-x Br _x Película (s. un CsPbI ₂ Br, b CsPbIBr ₂ sin tratamiento con DEE y c CsPbI ₂ Br, d CsPbIBr ₂ con tratamiento DEE

Para examinar la estructura cristalina de la CsPbI _3-x preparada Br _x películas, se llevaron a cabo patrones XRD. Como se muestra en la Fig. 2a, las líneas roja y azul indican los patrones XRD de CsPbIBr ₂ películas y CsPbI ₂ Br, respectivamente. Fue claro observar, en las líneas rojas, los picos principales ubicados en 14,75 °, 20,94 °, 29,96 ° y 34,93 °, los cuales están asignados a (100), (110), (200) y (210) hechos de CsPbIBr ₂ , respectivamente [41, 42, 43]. En las líneas azules, observamos dos picos principales centrados en 14,44 ° y 20,3 ° correspondientes a los planos (100) y (200) de la CsPbI pura ₂ Br α fase [44, 45]. Además, para certificar que el CsPbIBr ₂ y CsPbI ₂ Se prepararon con éxito películas de Br, se midieron las curvas de absorción UV-vis y los gráficos de Tauc (Fig. 2b-d). Como se muestra en la Fig. 2b, un pequeño cambio azul es visible en el espectro de absorción de CsPbIBr ₂ película en comparación con el CsPbI ₂ Br film, que se atribuye a la diferencia de banda prohibida entre CsPbI ₂ Br y CsPbIBr ₂ . Para explorar la banda prohibida óptica de CsPbI _3-x Br _x película, calculamos la banda de energía (Eg) de acuerdo con la reflexión y transmisión a través de los gráficos de Tauc, como se muestra en la Fig. 2c, d. Se observó a partir de los gráficos de Tauc que, por ejemplo, de CsPbI ₂ Br y CsPbIBr ₂ fueron 1,91 eV y 2,05 eV, respectivamente, lo que es coherente con el informe anterior [46,47,48,49,50]. Los resultados indicaron el CsPbI _3-x Br _x Las películas se fabricaron con éxito.

un Patrones XRD. b Absorción de CsPbI _3-x Br _x Película (s. La banda prohibida de c CsPbI ₂ Br y d CsPbIBr ₂

Después de confirmar las propiedades de la CsPbI tratada _3-x Br _x películas, preparamos los PD flexibles basados ​​en CsPbI _3-x Br _x Película (s. En la Fig. 3a, los PD flexibles con la estructura del dispositivo de electrodos interdigitados PI / Au / CsPbI _3-x Br _x son exhibidos. Cuando se irradia sobre la capa de perovskita bajo un voltaje de polarización, el transporte del portador de carga se forma en PD, como se muestra en la Fig. 3b. Finalmente, los electrones (huecos) son recolectados por electrodos y circulan a través de un circuito externo para generar fotocorriente. Caracterizar el desempeño de CsPbI _3-x Br _x PD, medimos la fotocorriente en una fuente de LD de 520 nm a voltajes de polarización bajos como se muestra en la Fig. 3c, d. El resultado mostró que la fotocorriente máxima de CsPbI ₂ Br PD y CsPbIBr ₂ Los PD estaban por encima de 180 μA y 120 μA con una intensidad de iluminación de 8,23 mW / cm ² , respectivamente. Es importante destacar que la fotocorriente del dispositivo se midió a un voltaje de polarización de 10 mV. Para evaluar la velocidad de respuesta del dispositivo, investigamos la fotocorriente transitoria del dispositivo. Como se muestra en la Fig. 3c, d, el tiempo de subida y bajada de CsPbI ₂ Los Br PD se extraen para que sean de alrededor de 90 μs y 110 μs, respectivamente. El tiempo de subida y bajada de CsPbIBr ₂ Se encontró que los PD eran de aproximadamente 100 μs y 140 μs, respectivamente. En comparación con los mismos dispositivos estructurales informados anteriormente [12], los resultados mostraron que el dispositivo basado en CsPbI _3-x tratado con DEE Br _x La capa de perovskita mostró un rendimiento excelente.

un Estructura del dispositivo de CsPbI _3-x Br _x PD flexibles . b Diagrama esquemático del transporte del portador de carga en el dispositivo iluminado. Curvas I – t de la c CsPbI ₂ Br PD y d CsPbIBr2 PD con luz de 520 nm con un sesgo de 10 mV. El tiempo de subida (ton) y el tiempo de caída (toff) de e CsPbI ₂ Br PD y f CsPbIBr ₂ PD, respectivamente

Para investigar más a fondo las características fotoeléctricas de los DP, se midieron y representaron la corriente oscura y la fotocorriente, la capacidad de respuesta y la detectividad, como se muestra en la Fig. 4. Como se muestra en la Fig. 4a, b, las curvas de corriente oscura y fotocorriente tienen simetría aproximada cuando el voltaje se cambió de - 5 a 5 V. Este resultado indicó la formación de un contacto óhmico entre el metal y la capa de perovskita. Debido a que la barrera de contacto es muy baja para el contacto óhmico, los portadores se pueden transferir fácilmente con baja polarización. A tensiones de polarización bajas, el CsPbI _3-x Br _x Los PD flexibles poseen una alta relación de activación / desactivación de aproximadamente 10 ⁴ . Responsividad ( R ) y detectividad ( D *) de los DP se muestran en la Fig. 4c, d. La imagen ilustra que la R y D * tuvo valores altos en condiciones de luz débil con un sesgo bajo, especialmente por debajo de 1 mW, junto con una D alta * de 10 ¹² Jones @ sesgo de 10 mV. Zhang y col. informó un CsPbBr ₃ PD flexibles basados ​​en una D * de 10 ¹⁰ Jones bajo sesgo de 2 V [12]. Ding y col. informó un PD rígido basado en CsPbBr ₃ monocristales con una D * de 10 ¹¹ Jones [51]. Por lo tanto, el CsPbI _3-x Br _x Los PD flexibles basados ​​en la tecnología que funcionan con tensiones de polarización bajas exhiben un rendimiento excepcional.

Las curvas (I-V) de a CsPbI ₂ Br PD y b CsPbIBr ₂ PD para fotocorriente (520 nm LD) y corriente oscura. La capacidad de respuesta y la detectividad (ilustración) del c CsPbI ₂ Br PD y d CsPbIBr ₂ PD (520 nm LD) bajo voltaje de 10 mV

La estabilidad ambiental y la flexibilidad mecánica son dos factores importantes que influyen en la aplicación práctica de fotodetectores basados ​​en perovskita. Como se describe en la Fig. 5, la estabilidad ambiental y la flexibilidad mecánica de los PD se probaron midiendo los cambios en las curvas periódicas I-t del dispositivo. Se observó claramente que las curvas I-t del dispositivo cambiaron ligeramente (disminución de ~ 3% para CsPbI ₂ Br PD y disminución de ~ 3% para CsPbIBr ₂ PD). Los cambios en las corrientes de los dispositivos podrían ignorarse después de estar expuestos durante 30 días en condiciones ambientales a una humedad relativa de 35 a 45% (Fig. 5a, b). Como se muestra en la Fig. 5c, d, en comparación con las curvas I-t periódicas iniciales, se observó una oscilación insignificante (disminución de ~ 2% para CsPbI ₂ Br PD y disminución de ~ 3% para CsPbIBr ₂ PD) después de doblar el dispositivo cien veces por debajo del radio de curvatura de 9,12 mm. Los resultados demuestran que nuestro dispositivo tiene una gran estabilidad y una buena flexibilidad mecánica.

Comparación de las curvas I-t reproducibles de a CsPbI ₂ Br PD y b CsPbIBr ₂ Los DP se mantienen en el aire durante 30 días. Comparación de las curvas I-t reproducibles de c CsPbI ₂ Br PD y d CsPbIBr ₂ Los PD se doblan 100 veces

Conclusión

En resumen, presentamos los fotodetectores flexibles basados ​​en CsPbI _3-x Br _x ( x =1, 2) películas que fueron tratadas con DEE en este trabajo. Los dispositivos mostraron un rendimiento excelente, comparable a los dispositivos de la misma configuración. Con un sesgo de 10 mV, los fotodetectores mostraron una alta relación de activación / desactivación de 10 ⁴ con iluminación de 520 nm, velocidad de respuesta rápida (90 μs / 110 μs para CsPbI ₂ Br PD y 100 μs / 140 μs para CsPbIBr ₂ PD) y una excelente detectividad (10 ¹² Jones). Además, los PD flexibles exhibieron una estabilidad ambiental y una flexibilidad mecánica excepcionales. Después de almacenar el dispositivo durante 30 días en el aire a una humedad relativa del 35% al ​​45%, las curvas I-t del dispositivo solo disminuyen ligeramente (~ 3%). Además, el rendimiento de los PD mostró un cambio insignificante después de doblar el PD flexible cien veces con un radio de curvatura de 9,12 mm. Este trabajo demuestra el enorme potencial de CsPbI _3-x Br _x perovskitas en la detección de fotoelectrones y proporciona un enfoque prometedor para lograr un alto rendimiento.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual se obtienen del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

DEE:

Éter dietílico

DMF:

N , N -dimetilformamida

DMSO:

Dimetilsulfóxido

HHP:

Perovskitas de haluro híbrido

PHI:

Perovskitas inorgánicas de haluro de plomo y cesio

PD:

Fotodetectores

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

UV-vis:

Ultravioleta visible

XRD:

Difracción de rayos X

Ruedas de vagón c-Si y c-SiGe reducidas para la visualización de la anisotropía y la selectividad de los agentes decapantes químicos húmedos Transformación de fase anisotrópica en aleación de CuZr cristalino B2