InfoMat: 钙钛矿光电探测器的研究进展

光电探测器可以直接将光信号转换为电信号,在医学成像、自动化生产和军事探测等领域一直发挥着重要作用。近十年来,随着自动驾驶、环境监测、光通信和生物传感器的不断兴起,对优秀的光电探测器的需求更加突出。硅、III-V化合物半导体、有机聚合物和胶体量子点等多种类型的半导体材料被报道用于制造光电探测器,然而传统的无机半导体材料的制造过程往往复杂而昂贵,有机聚合物和胶体量子点材料存在光吸收不足,载流子寿命短。近年来,钙钛矿材料的出现,以其直接带隙、吸收系数大、电子空穴扩散长度长等近乎完美的光电特性,为光电器件的研究打开了又一个充满活力的空间。特别是低成本溶液处理钙钛矿光电探测器具有响应率高、暗电流小、探测范围宽等优点,而且钙钛矿薄膜层(几百纳米)在紫外-可见范围内实现光的充分吸收。但是,针对钙钛矿光电探测器的商业化要求,目前还存在一系列待解决的问题。

吉林大学沈亮课题组和国家纳米科学中心丁黎明在Wiley出版集团新推出的信息材料领域高影响力期刊InfoMat上发表了题为“Advances in perovskite photodetectors”的综述。文章介绍了三种主要的钙钛矿光电探测器的工作原理和光电性能,概述了探测率、稳定性和响应速度这三个关键性能参数的影响和优化策略。最后讨论了钙钛矿光电探测器面临的关键挑战,并展望了其未来的商业化发展方向。

光电探测器的探测性能与响应率、暗电流和噪声电流密切相关,其中暗电流主要来自于被捕获的载流子或反向偏压下注入的载流子所产生的泄漏电流,与材料的晶体缺陷密切相关。界面工程、大晶粒尺寸钙钛矿生长和缺陷钝化能显著降低暗电流,从而带来较低的噪声电流和较高的灵敏度。限制钙钛矿器件商业化的最大因素是稳定性差,而器件封装、调整钙钛矿维度形态和界面工程能够增强稳定性。响应速度是光电探测器的另一个关键参数,由于电极间距,垂直结构的器件相比横向器件有更快的响应,而钝化缺陷、整合p-n/肖特基结和减小电极间电容等措施应该被关注。

文章讨论了钙钛矿光电探测器面临的挑战:(1)钙钛矿的缺陷仍然是限制光电探测器多种性能的主要因素;(2)不同响应波长的钙钛矿光电探测器的发展在未来仍具有重要意义;(3)稳定性问题仍然是未来钙钛矿器件的重点。此外,文章对钙钛矿光电探测器的铅毒性、便携化、大面积制备和应用前景进行了展望。

该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12141)上。

个人或团队简介:

沈亮:吉林大学电子科学与工程学院,博士生导师,主要研究新型光电器件物理、性能及其军事及民品应用,发表论文100余篇,其中IF>10.0的10余篇,被引3000余次。申请和授权美国及中国发明专利10项。

丁黎明:国家纳米科学中心研究员,博导。1996年中国科大高分子科学博士学位(长春应化所联合培养)。1998-2009先后在Linköping大学,UMass Amherst, 美国Wright-Patterson空军基地,美国Argonne国家实验室,Konarka公司从事有机光电材料和器件研究。2010年加入国家纳米科学中心(科学院百人计划引进)。目前研究兴趣包括有机太阳电池,钙钛矿太阳电池,光电探测器。丁黎明教授是RSC Fellow,Sci Bull副主编,Mater Chem Front顾问委员会委员, 2017科技部有机太阳电池重大研发计划首席科学家。2020年度“科学探索奖”提名人。2015年度英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。 2018和2019 年度Science Bulletin“最具贡献作者”。