Zelfaangedreven volledig anorganische perovskiet-fotodetectoren met hoge responssnelheid

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont de SEM-afbeeldingen in bovenaanzicht van CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ dunne films met of zonder DE-behandeling. Het is duidelijk dat de ongerepte CsPbI_x Br_3−x perovskietfilms zijn discontinu en vertonen grote gaatjes. Na DE-behandeling is de filmkwaliteit van CsPbI_x Br_3−x is aanzienlijk verbeterd en toont een hogere dekking en compactheid. Om de kristalstructuur en fasezuiverheid van volledig anorganische perovskietfilms verder te onderzoeken, werden XRD-patronen geregistreerd zoals weergegeven in figuur 2a. Voor het patroon van CsPbI₂ Br-film (zoals weergegeven in Fig. 2b), de belangrijkste pieken bij 14,6 ° en 29,6 ° worden toegewezen aan de (100) en (200) kristallografische vlakken van de CsPbI₂ Br kubieke perovskietstructuur, respectievelijk. Voor het geval van CsPbIBr₂ film, de drie pieken gecentreerd op 14,9°, 21,08° en 29,96° zijn geassocieerd met de (100), (110) en (220) vlakken van de CsPbIBr₂ perovskiet orthorhombische fase, respectievelijk. Bovendien worden de verhoudingen van diffractiepiek (P) 14,6° en 29,6° berekend op 1,10 en 1,12 voor CsPbI₂ Br na DE-behandeling, respectievelijk. Dit geeft aan dat de CsPbI₂ Br perovskietfilm groeit bij voorkeur met (200) facet op DE-behandeling. Ondertussen, voor het geval van CsPbIBr₂ perovskietfilm na DE-behandeling, worden de verhoudingen van diffractiepiek (P) 14,9 ° en 29,96 ° berekend op respectievelijk 5 en 12, wat de CsPbIBr₂ aantoont perovskietfilm groeit bij voorkeur met (200) facet op DE-behandeling. Beide XRD-resultaten tonen aan dat de DE-behandeling de kristallijne kwaliteit en fasezuiverheid van CsPbI_{x kan verbeteren} Br_3−x films natuurlijk.

SEM-afbeeldingen van bovenaf van de volledig anorganische perovskietfilms. CsPbI₂ Br film a zonder b met DE-behandeling; CsPbIBr₂ films c zonder d met DE-behandeling

Vergelijking van a XRD-patronen van CsPbI₂ Br-films, b XRD-patronen van CsPbIBr_2, c absorptie van CsPbI_x Br_3−x , d fotoluminescentiespectra van CsPbI_x Br_3−x met of zonder DE-behandeling

Verder zijn de optische eigenschappen van CsPbI_x Br_3−x films met of zonder DE-behandeling werden gemeten door UV-Vis-absorptie en PL-spectrum. Zoals weergegeven in Afb. 2c, zijn beide CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ monsters vertonen een verbeterde absorptie na DE-behandeling. De absorptiespectra suggereren deze CsPbI_x Br_3−x films kunnen effectief worden gebruikt als actieve lagen voor zichtbare fotodetectie. Afbeelding 2d zijn de PL-spectra van CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ films afgezet op glassubstraten. De PL-piek van CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ films op respectievelijk 655 nm en 603 nm, die in overeenstemming waren met de eerdere rapporten [31]. Voor de gevallen die door DE worden behandeld, nemen de PL-intensiteiten aanzienlijk toe in vergelijking met die van onbehandelde perovskietfilms. De verhoogde PL-intensiteiten hebben betrekking op de verminderde valdichtheid die dragers in de aangeslagen toestand recombinatie met straling naar de grond zou vergemakkelijken. De resultaten geven aan dat het introduceren van het DE-anti-oplosmiddel een effectieve manier is om een ​​betere filmkwaliteit en vermindering van de valdichtheid in volledig anorganische perovskietfilms te bereiken. Daarom gebruikten we de gemodificeerde perovskietfilms als fotoactieve lagen om volledig anorganische CsPbI_{x te fabriceren.} Br_3−x perovskiet PD's, met de structuur weergegeven in Fig. 3a.

Opto-elektronische prestaties van CsPbI_x Br_3−x perovskiet PD's. een schematische illustratie van de CsPbI_x Br_3−x perovskiet fotodetector, b stroom-spanningskarakteristieken van de CsPbI_x Br_3−x perovskiet PD's in het donker en onder 520 nm verlichting met een lichtintensiteit van 3,5 mW/cm ² _, c tijdelijke fotorespons van de CsPbI₂ Br PD's onder 520 nm bestraling bij vooringenomenheid bij 0 V, d I–t-curve van de CsPbI₂ Br PD's onder 520 nm bestraling bij 0 V

Afbeelding 3b toont de I–V-curves van de apparaten in het donker en onder licht van 520 nm. Onder de verlichting van een lichtbron van 520 nm nemen de fotostromen enorm toe vanwege de grote bijdrage van de fotogegenereerde dragers. Het is duidelijk dat de fotostroomcurven van twee verschillende PD's een rectificatiegedrag vertonen, wat aangeeft dat er junctiebarrières bestaan ​​tussen de ITO- en perovskietfilms. Deze overgangsbarrières kunnen worden toegeschreven aan Schottky-contact gevormd bij de ITO/CsPbI₂ Br of ITO/CsPbIBr₂ interfaces en de oppervlaktetoestanden, zoals oppervlaktedefecten, vacatures en absorptie [33]. Het fenomeen bestaat altijd in eerder gerapporteerde perovskiet-PD's [34,35,36]. Toen het apparaat een bias had van 0,1 V, was de detector gebaseerd op CsPbI₂ Br perovskiet vertoonde een donkere stroom van  ~ 2 nA. Eenmaal blootgesteld aan een 520 nm laserdiode (LD) lichtbron met een verlichtingsintensiteit van 3,5 mW/cm ² , nam de fotostroom toe tot μA, waardoor een hoge aan/uit-verhouding van meer dan 10 ³ werd bereikt . Voor het geval van CsPbIBr₂ fotodetector met een bias van 0,1 V, de donkerstroom was 2,45 nA, wat resulteerde in een aan/uit-verhouding van 10 ³ ook. Toen de lichtbron werd in- en uitgeschakeld, vertoonden beide apparaten een snelle respons in de stroom-tijd (I-t) curven zonder bias, zoals weergegeven in Fig. 3c, d. Bovendien, uit Fig. 2b, de waarden van de nullastspanning van CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ fotodetectoren zijn respectievelijk -0,74 en -0,68 V. Als het licht aan was, nam de fotostroom sterk toe en nam daarna snel af zodra het licht uit was. Opgemerkt wordt dat I–t-curven werden gemeten door de LD-lichtbron te regelen om aan/uit-recycling te bereiken. De resultaten illustreren verder dat de CsPbI_x Br_3−x perovskiet-fotodetectoren vertonen een goed lichtschakelgedrag en een reproduceerbare fotostroomrespons op periodiek aan/uit-licht. Bovendien passen de I-t-curven goed bij de I-V-curven, wat verder aangeeft dat de apparaten een hoge responssnelheid en lagere vertragingseigenschappen hebben. Als de kritische parameters voor het evalueren van een commerciële fotodetector, responsiviteit (R ) en specifieke detectiviteit (D ) worden geanalyseerd. Wanneer wordt aangenomen dat de donkerstroom wordt gedomineerd door schotruis, D kan worden berekend met de volgende vergelijking

waarbij \(J_{{\text{d}}}\) de donkere stroom is, \(J_{{{\text{ph}}}}\) de fotostroom is, \(L_{{{\text{licht) }}}}\) is de intensiteit van het invallende licht. R betekent de fotostroom die wordt gegenereerd per eenheid van intensiteit van het invallende licht, die de efficiëntie weerspiegelt van de detector die reageert op de invallende lichtsignalen.

Afbeelding 4a, b toont de detectiviteits- en responsiviteitswaarden van CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ perovskiet fotodetectoren gemeten bij verschillende invallend lichtvermogen. Voor CsPbI₂ Br-apparaat, onder zwak (3,5 mW/cm ² ) en sterk (6 mW/cm ² ) verlichting, D ^* werden berekend als 4,9 × 10 ¹¹ en 3,2 × 10 ¹¹ Jones (\({\text{Jones}} ={\text{cm}} \times {\text{Hz}}^{\frac{1}{2}} \times {\text{W}}^{ - 1}\)), respectievelijk. Voor het geval van CsPbIBr₂ fotodetector, D ^* onder zwak en sterk licht waren ~ 2.3 × 10 ¹¹ en 1,3 × 10 ¹¹ Jones, respectievelijk. De berekende D ^* en R waarden namen lineair af met de toename van de intensiteit van het invallende licht. Onder een sterke verlichting (6 mW/cm ² ), de CsPbI₂ Br en CsPbIBr₂ detectoren toonden R waarden van respectievelijk 8 en 4,6 mA/W. Onder een zwakke verlichting (3,5 mW/cm ² ), vertoonden beide bovengenoemde PD's goede prestaties met R van respectievelijk 12 en 8 mA/W. De hoge detectiviteit betekent dat de zwakke lichtsignalen ook konden worden gedetecteerd en omgezet in grote fotostroom. Dit wordt toegeschreven aan de verbeterde kwaliteit van de volledig anorganische perovskietfilm via DE-behandeling.

Responsiviteit en specifieke detectiviteit van CsPbI_x Br_3−x perovskiet PD's. een CsPbI₂ Br perovskiet fotodetector, b CsPbIBr₂ perovskiet fotodetector

Verder is de reactiesnelheid een verdienste voor fotodetectoren om het apparaat te karakteriseren. We hebben de stijgtijd gedefinieerd als de tijd die wordt besteed aan het stijgen van 10 naar 90% van de maximale fotostroom, en vice versa betekent de vervaltijd. Om de gedetailleerde responssnelheid te verkrijgen, werd een oscilloscoop gebruikt om de temporele respons te controleren en vast te leggen. Zoals uitgezet in Fig. 5a, b, de stijgtijd en de vervaltijd voor CsPbI₂ Br-apparaat werden geëxtraheerd om respectievelijk 175 en 180 μs te zijn. Ondertussen zijn de stijg- en vervaltijd voor CsPbIBr₂ waren respectievelijk 320 en 230 μs. De snelle responstijd betekent dat er minder elektronische traptoestanden zijn op het grensvlak van perovskiet/metaal, wat het transport en de verzameling van ladingen zou kunnen beïnvloeden.

Reactiesnelheid van CsPbI_x Br_3−x perovskiet PD's. een CsPbI₂ Br perovskiet fotodetector, b CsPbIBr₂ perovskiet fotodetector