Advanced Functional Materials:高稳定性和高开关比的无铅Cs3Bi2I9单晶薄片光探测器

近十年来,由于有机-无机杂化铅卤钙钛矿优良的半导体特性,其在光伏电池、发光二极管、光催化和光电探测器等领域中得到了快速发展。在光电探测器中,半导体钙钛矿的晶体质量对器件的性能(如响应开关比、灵敏度、检测限等)有着重要影响。与广泛报道的钙钛矿多晶材料相比,单晶材料具有无晶界、缺陷态少、载流子迁移率高等显著优势,因而在光电器件领域有着更广阔的应用前景。就目前报道的钙钛矿单晶材料而言,大多数晶体的厚度达到了几毫米,远远超过其载流子有效扩散距离(一般小于200微米),从而会造成严重的电荷复合。薄片状钙钛矿单晶的可控制备是克服该问题的一种有效策略。此外,就化学组分而言,以碘化铅甲胺为首的有机-无机杂化钙钛矿单晶材料还存在着一系列的不足:易挥发的有机组分会影响器件的长期稳定性和环境耐受性;铅元素的高毒性限制该类材料的实际应用;低的离子迁移活化能导致离子容易迁移,从而使器件暗电流较高,严重影响探测信噪比。结合以上问题,亟需发展具有环境友好、高稳定性的非铅全无机钙钛矿单晶薄片。

最近,中山大学匡代彬教授课题组结合前期研究基础,实现全无机无铅Cs3Bi2I9单晶薄片的首次制备。其厚度最薄可低至1微米,横向尺寸达到4毫米。该Cs3Bi2I9单晶薄片是通过空间限域-溶剂挥发结晶法在ITO导电玻璃上原位生长得到,此方法工艺简单,成本低廉,且便于器件组装。与Cs3Bi2I9多晶薄膜相比,该单晶薄片的缺陷密度降低了263倍、迁移率提升了5个数量级。得益于Cs3Bi2I9单晶薄片高的晶体质量和短的载流子传输路径,基于该单晶薄片的垂直型光探测器表现出良好的光探测性能:高的响应开关比、宽光强检测范围、较低检测限和较快的响应速度。特别是,Cs3Bi2I9单晶薄片探测器的光响应开关比高达11000,相比Cs3Bi2I9多晶薄膜器件提升了460倍;也远高于目前报道的Cs3Bi2I9体相单晶探测器。此外,器件稳定性是光探测器实际商业化应用中必须要考虑的重要因素。经过测试发现,Cs3Bi2I9单晶薄片器件具有优异的光、热、湿度稳定性。值得说明的是,未经封装的器件可在50% RH的潮湿空气环境中长期稳定至少1000小时。

本工作将为稳定低毒的钙钛矿单晶薄片材料的可控制备及其光探测器、太阳电池、光催化等领域的应用研究提供了可行的思路。相关结果在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201909701)上。