基于大尺寸单晶HC(NH2)2PbI3的高效光探测器阵列

aom-liushengzhong有机-无机杂化钙钛矿材料具有较长的载流子扩散长度(~175 μm)、极低的缺陷态密度 (~1010/cm3)、很高的光吸收系数(104/cm@550 nm)等优异的光电性质,是优异的光伏材料、光电材料、激光材料和发光材料。目前,经过NREL认证的钙钛矿太阳电池光电转换效率已经达到22.1%,接近单晶硅太阳能电池的效率25.6%。在众多的有机-无机杂化钙钛矿材料当中,基于甲眯基的钙钛矿材料可以实现最高效率的钙钛矿太阳能电池器件。主要归因于甲眯基钙钛矿具有比广泛应用的甲胺基的钙钛矿材料更宽的吸光范围,更好的热稳定性等。同时,基于杂化钙钛矿材料的各种光电器件也频放异彩,显示出杂化钙钛矿材料在光电领域的广阔应用前景。然而,由于制备工艺的限制,目前研究的器件多采用微晶钙钛矿薄膜。这种薄膜中存在的晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷会增加载流子被缺陷捕获和诱导复合的几率,是进一步提高太阳能电池转换效率及其它光电器件性能需要解决的关键问题。现代电子工业的飞速发展主要依赖于高品质单晶硅材料生长及其器件化。不难想象,如果可以像单晶硅那样充分地利用单晶钙钛矿,日新月异的半导体工业将使钙钛矿光电器件的发展如虎添翼。

正是基于这一需要,陕西师范大学国家千人计划刘生忠教授带领的研究团队在前期工作的基础上,采用升温结晶的方法生长了高质量大尺寸的HC(NH2)2PbI3单晶。研究结果表明,该材料具有:(1)极低的缺陷态密度~1010/cm3,远低于商用高品质单晶硅材料;(2)较高的载流子迁移率40 cm2/ (V s);(3)更宽的光谱吸收范围。 进一步,该团队利用这种单晶成功组装集成电路式高效光探测器阵列。与微晶钙钛矿光电器件相比,用钙钛矿单晶组装的集成电路型光探测器有更好的光响应度和更高量子效率,同时有更宽的光谱探测范围。值得关注的是,该团队首次将近年来发展的如火如荼的有机-无机杂化钙钛矿材料和集成电路工艺相结合制备出高性能光电探测器阵列,证实了该材料在电子工业应用的巨大潜力,同时为今后钙钛矿材料的开发和利用提供了一种新的设计思路和方向。相关论文目前在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201600327)上。