Fotodetectores flexibles de alto rendimiento basados en perovskitas inorgánicas CsPbI₃₋ₓBrₓ procesadas en solución

Resumen

Las perovskitas inorgánicas de haluro de plomo y cesio, CsPbI₃₋ₓBrₓ, han emergido como materiales prometedores para fotodetectores gracias a sus excelentes características optoelectrónicas y la simplicidad de fabricación basada en solución. Aquí demostramos fotodetectores flexibles fabricados por enfoque de procesamiento en solución modificado que entregan ratio encendido/apagado 10⁴, detectividad ~10¹² Jones, y tiempos subida/decadencia sub-100 µs bajo sesgo 10 mV a iluminación 520 nm. Los dispositivos mantienen rendimiento tras 30 días aire ambiente (35-45 % HR) y 100 ciclos flexión radio 9,12 mm, subrayando robustez mecánica y estabilidad ambiental. Resultados destacan perovskitas CsPbI₃₋ₓBrₓ como plataforma convincente para tecnologías fotodetección flexibles, bajo costo, próxima generación.

Introducción

Últimas dos décadas, semiconductores inorgánicos como InGaAs, GaN, ZnO, Si dominaron investigación fotodetectores por superiores propiedades ópticas/eléctricas, alta detectividad y rápidos tiempos respuesta. Sin embargo, complejos protocolos crecimiento y altos costos equipos dificultan comercialización a gran escala. Consecuentemente, creciente demanda alternativas rentables, escalables que retengan alto rendimiento.

Perovskitas haluro híbridas (HHP) atrajeron considerable atención fotovoltaica, eficiencias conversión energía subiendo 3,8 % a >23 % en década, por brechas banda óptimas, altos coeficientes absorción, transporte ambipolar portadores. Pese a potencial fotodetección, HHP sufren pobre estabilidad ambiental, limitando despliegue práctico. En contraste, perovskitas inorgánicas cesio haluro plomo (IHP) exhiben superior estabilidad aire, ideales para fotodetectores. Mientras CsPbI₃ degrada >300 °C, sustitución parcial yoduro por bromuro (formando CsPbI₃₋ₓBrₓ) estabiliza fase perovskita y ajusta brecha banda.

En este estudio, fabricamos fotodetectores flexibles usando películas CsPbI₃₋ₓBrₓ procesadas en solución (x = 1, 2). Dispositivos resultantes exhiben respuesta rápida (90 µs/110 µs CsPbI₂Br y 100 µs/140 µs CsPbIBr₂), altos ratios encendido/apagado (~10⁴), y notable detectividad (~10¹² Jones) bajo sesgo 10 mV. También demuestran excelente flexibilidad mecánica y resiliencia ambiental, posicionando CsPbI₃₋ₓBrₓ como candidato poderoso para tecnologías fotodetectores flexibles.

Método

Materiales

Yoduro plomo (PbI₂, 99,99 %), bromuro plomo (PbBr₂, 99,99 %), yoduro cesio (CsI, 99,99 %), bromuro cesio (CsBr, 99,99 %) de Xi'an Polymer Light Technology Corporation. Éter dietílico (DEE), acetona, etanol absoluto, N,N-dimetilformamida (DMF), dimetil sulfóxido (DMSO) de Sigma-Aldrich.

Precursores perovskita preparados atmósfera inerte. CsPbI₂Br: 1 M CsBr, 1 M PbBr₂, 2 M CsI, 2 M PbI₂ disueltos mezcla 9:1 volúmen DMSO anhidro/DMF, agitados >2 h a 75 °C. CsPbIBr₂ protocolo similar con 2 M CsBr, 2 M PbBr₂, 1 M CsI, 1 M PbI₂.

Preparación

Sustratos poliamida (PI) flexibles limpiados secuencialmente acetona, etanol absoluto, agua desionizada 15 min, secados horno. Electrodos interdigitados oro (80 nm) evaporados térmicamente sobre PI. Sustratos tratados UV-ozono 20 min antes transferencia guantebox nitrógeno para deposición película. Películas CsPbI₃₋ₓBrₓ centrifugadas (80 µL precursor, 2000 rpm, 60 s) con gota 0,5 mL DEE anti-solvente 10 s antes fin centrifugado. Películas recocidas 65 °C 5 min, luego 135 °C 15 min.

Medidas y caracterizaciones

Imágenes SEM con FEI-INSPECT F50 SEM emisión campo. XRD Bede D1 radiación Cu Kα. Espectros absorción UV-vis Shimadzu UV-3101 PC. Características corriente-tensión Keithley 2636 bajo iluminación láser 520 nm. Fotocorriente transitoria capturada osciloscopio Agilent DOS5012A y chopper óptico. Todas medidas temperatura ambiente condiciones ambientales.

Resultados y discusión

Para lograr películas perovskita alta calidad, se empleó protocolo centrifugado un paso con DEE anti-solvente. Figura 1 muestra imágenes SEM vista plana CsPbI₃₋ₓBrₓ con/sin DEE. Sin DEE, películas exhiben numerosos poros y granos pequeños; con DEE, superficie continua y granos agrandados, confirmando DEE mejora marcadamente morfología.

Patrones XRD (Fig. 2a) confirman formación CsPbIBr₂ ortorrómbico (picos 14,75°, 20,94°, 29,96°, 34,93°) y CsPbI₂Br tetragonal (picos 14,44°, 20,30°). Espectros absorción UV-vis (Fig. 2b) revelan modesto desplazamiento azul CsPbIBr₂ vs CsPbI₂Br, atribuible incorporación bromuro. Análisis Tauc da brechas banda 1,91 eV (CsPbI₂Br) y 2,05 eV (CsPbIBr₂), acordes literatura.

Arquitectura dispositivo (Fig. 3a) consiste PI/electrodos interdigitados Au recubiertos CsPbI₃₋ₓBrₓ. Bajo iluminación 520 nm, fotocorriente generada transporte portadores carga a través capa perovskita (Fig. 3b). Medidas fotocorriente (Fig. 3c,d) muestran corrientes máximas 180 µA (CsPbI₂Br) y 120 µA (CsPbIBr₂) intensidad 8,23 mW cm⁻², logradas sesgo solo 10 mV. Respuesta transitoria (Fig. 3e,f) da tiempos subida/decadencia 90 µs/110 µs (CsPbI₂Br) y 100 µs/140 µs (CsPbIBr₂), superando dispositivos flexibles comparables previos.

Caracterización eléctrica (Fig. 4) demuestra comportamiento I-V simétrico -5 V a +5 V, indicando contactos óhmicos y barreras interfaciales despreciables. Bajo bajo sesgo, dispositivos logran ratio encendido/apagado ~10⁴. Responsividad y detectividad (Fig. 4c,d) pican 10¹² Jones 10 mV, superando PDs flexibles CsPbBr₃ previos (10¹⁰ Jones 2 V) y PDs monocristal CsPbBr₃ rígidos (10¹¹ Jones).

Pruebas estabilidad (Fig. 5) revelan tras 30 días aire ambiente (35-45 % HR), curvas I-t cambian <3 %. Flexión mecánica (100 ciclos radio 9,12 mm) induce caída insignificante <2-3 % rendimiento. Resultados confirman integridad estructural y resiliencia ambiental fotodetectores CsPbI₃₋ₓBrₓ.

Conclusión

Hemos fabricado fotodetectores flexibles usando películas CsPbI₃₋ₓBrₓ (x = 1, 2) procesadas en solución tratadas con DEE. Dispositivos logran ratio encendido/apagado 10⁴, tiempos respuesta 90-140 µs, detectividad ~10¹² Jones bajo sesgo 10 mV. Importante, fotodetectores retienen rendimiento tras 30 días condiciones ambientales y 100 ciclos flexión, demostrando estabilidad ambiental y flexibilidad mecánica. Hallazgos establecen perovskitas CsPbI₃₋ₓBrₓ como plataforma robusta, bajo costo, fotodetección flexible alto rendimiento.

Disponibilidad datos y materiales

Conjuntos datos usados en estudio disponibles autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

DEE

Éter dietílico

DMF

N,N-dimetilformamida

DMSO

Dimetil sulfóxido

HHP

Perovskitas haluro híbridas

IHP

Perovskitas inorgánicas cesio haluro plomo

PD

Fotodetectores

SEM

Microscopio electrónico barrido

UV-vis

Ultravioleta-visible

XRD

Difracción rayos X