Advanced Functional Materials:全溶液法制备宽带柔性光电探测器

具有高探测性的宽带光电探测技术,在军事和民生领域都具有重要的应用意义。目前,商业化的光电探测器主要使用氮化铝镓(AlGaN),硅(Si),砷化铟镓(InGaAs)以及硫化铅(PbS)等半导体材料,分别可实现紫外(Ultraviolet),可见(Visible),近红外(Near-Infrared)以及中红外(Middle-Infrared)探测。然而,基于以上四种材料的光电探测器,往往需要很低的温度以及较高的电压以实现较大的光电响应。而且,要想实现宽带(250纳米到2600纳米)的光电响应,必须将以上四种材料结合在一起制备光电探测器。价格昂贵以及苛刻的制备工艺也极大地限制了它们在柔性、透明、可弯曲器件领域的应用。

美国阿克伦大学高分子学院巩雄教授研究团队针对以上问题,用甲脒碘(FAI)对导电高分子薄膜进行处理,并用其作为光电探测器的柔性透明阳极。用FAI处理后的导电高分子薄膜,导电率提升至1562 S/cm,并且在波长300纳米到7000纳米之间拥有优异的透明度。为了更好的解决宽带光电响应问题,该团队使用钙钛矿(CH3NH3PbI3)/硒化铅(PbSe)双吸收层结构,双吸收层在提升光电响应方面扮演着同等重要但不同的角色。CH3NH3PbI3薄膜拥有优异的光吸收系数以及较小的激子束缚能,可以极大地利用来自300纳米到800纳米的光子并有效地转换成电子和空穴。PbSe量子点薄膜作为第二光吸收层有两个重要的作用:(1)可以有效地吸收800纳米以后不能被CH3NH3PbI3所吸收的光子,增加光子的利用率;(2)PbSe薄膜表面的陷阱(defects)会捕获少量的电子,捕获的电子将使PbSe量子点的能级改变,从而减小其费米能级与阴极铝(Al)的功函数之间的壁垒(barrier)。因此在很小的负偏压下,大量的空穴可以很轻易地通过欧姆接触的方式从阴极Al注入到PbSe量子点的最高占据分子轨道(HOMO),从而提高光电响应。测试结果表明,在室温下,全溶液法制备的柔性光电探测器在300纳米到2600纳米波段,表现出超过1011 cm Hz1/2/W的光电探测率以及230 mA/W的光电响应度,并且具有良好的柔性。

研究者相信,这项工作丰富了溶液法制备柔性宽带光电探测器的制备方法,在将来高性能柔性光通器件的制备额发展提供参考。此工作由博士生朱焘主要完成。相关论文以题为“Solution-Processed Flexible Broadband Photodetectors with Solution-Processed Transparent Polymeric Electrode”在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909487)上。