基于有机-无机杂化钙钛矿纳米网的高性能光电探测器

以CH3NH3PbI3为代表的有机-无机杂化钙钛矿材料因其吸光系数高、载流子扩散距离长等诸多优异的光电性质而成为目前倍受关注的一类明星材料,现已在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等重要的光电器件领域显示出广阔的应用前景。其中,以这类钙钛矿材料构筑的光电探测器具有响应度高和响应速度快等优势,引起人们的高度重视。由于材料的形貌及结晶状况对于器件性能起到关键作用,如何通过钙钛矿材料的形貌和结构的合理调控来实现其光电探测性能的进一步提升是人们面临的一项挑战。

AFM-qilimin

北京大学化学与分子工程学院齐利民教授课题组曾利用基于单层胶体晶体(MCC)模板的胶体球刻蚀法实现了一系列无机纳米网和纳米碗阵列的大面积可控制备。最近,他们成功地将该方法拓展至有机-无机杂化钙钛矿纳米阵列结构的可控制备,获得了基于CH3NH3PbI3纳米网的高性能光电探测器。他们通过简便易行的旋涂方法分别在表面粗糙的FTO基底和表面平整的Si基底上制备了大面积规整有序的CH3NH3PbI3纳米碗阵列和纳米网。其中CH3NH3PbI3纳米网呈现为底部通透的纳米碗阵列结构(孔径 ~1 μm),具有良好的结晶度,垂直方向的晶粒尺寸与纳米网的厚度相当(~ 550 nm)。若将CH3NH3PbI3纳米网直接制备在带有金电极的SiO2/Si基底上,可以方便地获得高性能的纳米网光电探测器。该光电探测器对于可见光具有高的检测灵敏度和快的响应速度(~ 20 μs),对于700 nm单色光的响应度达到10.3 A/W,约为普通CH3NH3PbI3薄膜器件的6倍。这一方面是由于其独特的二维纳米网结构能够增强其对光的捕获,并且可以提供载流子的直接传输通道;另一方面是由于单层胶体晶体模板提供的限域空间可以减缓钙钛矿结晶过程从而提高其结晶度。

该研究工作揭示了胶体球刻蚀法在制备大面积规整有序的有机-无机杂化钙钛矿纳米阵列结构方面的应用潜力,为钙钛矿材料的形貌调控以及高性能光电器件的设计制备提供了新的思路。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201603653)上。

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