Small:准二维钙钛矿高性能自供能柔性光电探测器

层状结构的准二维钙钛矿具有优秀的光电性能,在光电探测器、太阳能电池和发光二极管等领域有广阔的应用前景。最近,Ruddlesden-Popper型准二维钙钛矿薄膜的不同相之间纵向梯度排列的特性被提出并广泛地研究。利用这个特性来大幅度提升以其为功能层的太阳能电池和发光二极管性能的研究已经被争相报道,但是却没有被有效地应用到光电探测器中去。

香港城市大学何颂贤团队通过设计合理的光电探测器的结构,利用准二维钙钛矿这个梯度分布的特性,开发了超高性能的自供能柔性光电探测器。该器件不仅在当前钙钛矿薄膜光电探测器中具有领先的响应度和响应速度,还有效地规避了准二维钙钛矿薄膜机械性能很差的缺点。相关结果发表在Small上。

何颂贤教授课题组通过调控前驱体的化学计量比,用一步旋涂法得到高质量的不同相梯度排列的准二维钙钛矿薄膜。作者们首先用分光光度计和薄膜正反两面的荧光光谱逐一表征了不同计量比薄膜中不同相的分布情况,发现了在适当的化学配比下,准二维钙钛矿薄膜的梯度会被明显地控制,从而得到想要的梯度有序分布的样品。接着作者把这种钙钛矿薄膜装配成纵向结构的光电探测器,并仔细测量了其光电响应。在零偏压的条件下,该自供能光电探测器的响应度达到了444 mA/W,响应速度更是快至52 µs。在施加一个1.5 V的小偏压时,其响应度增加到了3463 mA/W。这个光电探测器的自供能特性和超高的性能得益于钙钛矿不同相在薄膜纵向的有序分布,由于不同相之间价带导带的有序排列,形成了II型能带排列的异质结,从而在样品内部自发形成一个内建电势,因而形成了自供能的效果。此外,这个自供能光电探测器还被做成了柔性器件,在弯折至2 mm的半径或者连续弯折9000次后其光电流仍不低于原始值,相比于传统横向结构的探测器有极大的机械性能的改善。这是由于Ruddlesden-Popper型准二维钙钛矿的各层之间靠比较弱的范德华力结合,很容易在外力下被破坏,而横向探测器的光电流很大一部分要通过这个层间结构,因此在弯折后其光电流会大大降低。本文给出了一个简单实用的方法来构建高性能自供能柔性光电探测器,并且弥补了准二维钙钛矿机械性能差的不足。

论文信息:

High-Performance Flexible Self-Powered Photodetectors Utilizing Spontaneous Electron and Hole Separation in Quasi-2D Halide Perovskites

Zhengxun Lai, You Meng, Qi Zhu, Fei Wang, Xiuming Bu, Fangzhou Li, Wei Wang, Chuntai Liu, Feng Wang, Johnny C. Ho*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100442