构建新型多孔钙钛矿薄膜协同增强光捕获和载流子输运能力

伴随着光电器件领域飞速的发展,光敏层的光捕获和载流子输运能力的提升对于光电器件而言都是非常重要的,尤其是对于高灵敏性的光电探测器,高效率的太阳能电池等。最近有机无机杂化钙钛矿因其优异的光电性能而引起了广泛的关注。然而随着研究的深入,人们发现有机无机杂化钙钛矿对于光、热和湿度环境都不是很稳定,不能满足实际需要。另一方面,全无机钙钛矿凭借较高的稳定性和优异的光电性能在光电器件领域开始斩头露角。自从第一个全无机钙钛矿发光二极管(LED)诞生以来,各种基于全无机钙钛矿的光电子器件如雨后春笋般破土而出,势不可当。然而这些器件的性能远远不如钙钛矿块体原本的性能,原因是器件内的光敏层是由纳米结构材料组装而成,虽然这种纳米尺寸的颗粒增加了吸光率,但是纳米颗粒之间的界面由于表面活性剂的存在而严重降低了载流子传输性能。由此看出,同时增加光敏层的吸光率和导电性能似乎是矛盾的两个命题。

zenghaibo

南京理工大学曾海波教授团队一直致力于高性能钙钛矿光电器件的研究。针对上述难题,他们新开发了一种冷冻干燥法制备钙钛矿多孔薄膜的方法,从而解决了上述的看似矛盾的问题。这种方法制备的多孔薄膜有以下几个特点:薄膜的孔径和厚度可以通过实验参数来调整,尤其是,当孔径调至400纳米的时候,非常接近入射光的波长,这时薄膜表面和内部产生了米氏散射,进一步增强了吸光率。此外,整个制备过程中,没有任何表面活性剂的参与,钙钛矿晶粒在低温低压下形核长大,彼此有一部分相互融合,形成无障碍的载流子输运通道。相比较于纳米结构薄膜,这种多孔薄膜的载流子输运能力得到进一步提升。因此,他们把这种高性能多孔钙钛矿薄膜应用到探测器,并且测得开关比在104,外量子效率为658%(电压为9V,入射波长为520纳米),这个性能在目前已经发表的钙钛矿探测器领域已经算是比较高的。除此之外,这种冷冻干燥法制备高效薄膜的方法,不仅适用于探测器,也适用于LED、太阳能电池、薄膜晶体管等光电子器件,具有重大意义。相关工作发表在近期出版的Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.201700600)上。