作者:卜叶 来源: 中国科学报 发布时间:2021-3-22
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新型钙钛矿单晶制备出自驱动集成光探测器

 

本报讯(记者卜叶)由于独特的光电性质,有机金属卤化物钙钛矿在高性能太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器等领域具有巨大应用潜力。相比多晶钙钛矿,单晶钙钛矿的载流子传输能力和稳定性更好。

“单晶钙钛矿脆性大、不易弯折,因此制备大面积、较薄厚度的钙钛矿单晶仍是一个极大的挑战,这类材料难以在光电探测器中得到广泛应用。”中国科学院大连化学物理研究所研究员刘生忠说。

近日,陕西师范大学研究员刘渝城与刘生忠团队、美国西北大学教授Mercouri G. Kanatzidis合作,研发出一种有效的晶体生长策略,制备出尺寸达几英寸的高质量多元阳离子及混合卤素钙钛矿单晶,并利用这种钙钛矿单晶设计制备出自驱动集成光探测器。相关成果发表在《科学进展》上。

在FAPbI3钙钛矿中掺入铯离子、甲胺离子和溴离子,可以形成多阳离子及多卤素离子的钙钛矿,这种结构的钙钛矿被证明是高效光伏光电器件的最佳组成。然而,不同研究团队报道的基于此种钙钛矿的高性能器件中,几种离子的组成和比例不尽相同,尤其是铯离子的相对含量。此外,在结晶过程中,这种多成分钙钛矿容易出现相分离(如形成黄色的非钙钛矿相),同时在钙钛矿中会出现大量空位缺陷,这将形成缺陷俘获或散射中心,从而影响器件性能及稳定性。

为了解决这些问题,合作团队选用还原剂抑制晶体生长过程中的相分离,进而制备出大尺寸的三阳离子混合卤素钙钛矿单晶。刘渝城介绍,传统的高性能无机半导体单晶生长往往需要保证真空环境,并且要在500摄氏度以上高温下进行。因此,早在2015年,该团队发展了升温反应结晶策略,在约100摄氏度低温溶液中生长得到了高质量、大尺寸的有机金属卤化物钙钛矿单晶,并且不需要真空环境,大大降低了生长难度和成本。研究团队在此前基础上,通过优化结晶策略和控制单晶生长过程,生长了多元阳离子混合卤素钙钛矿单晶。

测试发现,这种基于还原剂稳定策略生长的钙钛矿单晶具有相对更长的载流子寿命、更高的电荷迁移率、更长的载流子扩散距离、优异的均匀性和长期稳定性。

鉴于单晶优异的光电性质,研究团队使用该单晶进一步设计组装了集成型自驱动光探测器,发现该探测器具有响应率高、光电导增益大、探测率高、响应速度快等优点。此外,基于该单晶制备的12×12像素探测器阵列光响应均匀,对一个2×2像素的阵列进行选择性辐照时在像素之间显示出良好的分辨力。

刘渝城表示,这种设计为钙钛矿自驱动集成电路成像应用开辟了一条新途径,接下来,团队将进一步优化集成自驱动光探测器的性能,推动其走向商业化。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8844

《中国科学报》 (2021-03-22 第3版 能源化工)
 
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