Hoge-Prestatie Flexibele Fotodetectoren Gebaseerd op Oplossingsverwerkte CsPbI3‑xBrx Anorganische Perovskiets

Inleiding

De afgelopen twee decennia hebben anorganische halfgeleiders zoals InGaAs, GaN, ZnO en Si het fotodetectoronderzoek gedomineerd vanwege hun superieure optische en elektrische eigenschappen, wat hoge detectiviteit en snelle respons tijden oplevert. Echter, hun complexe groeiprotocollen en hoge apparatuurkosten belemmeren grootschalige commercialisatie. Consequent is er een groeiende vraag naar kosteneffectieve, schaalbare alternatieven die hoge prestaties behouden.

Hybride halogide perovskiets (HHPs) hebben aanzienlijke aandacht getrokken in fotovoltaïka, met vermogensconversie-efficiënties die in slechts een decennium stegen van 3,8 % naar meer dan 23 %, gedreven door optimale bandgaten, hoge absorptiecoëfficiënten en ambipolaire dragertransport. Ondanks hun fotodetectiepotentieel, lijden HHPs onder slechte omgevingsstabiliteit, wat praktische implementatie beperkt. In tegenstelling tonen anorganische cesium lood halogide perovskiets (IHPs) superieure luchtstabiliteit, wat ze ideaal maakt voor fotodetectortoepassingen. Terwijl CsPbI₃ above 300 °C degradeert, stabiliseert partiële substitutie van iodide met bromied (vormend CsPbI_3‑xBr_x) de perovskietfase en past het bandgat aan.

In deze studie produceerden we flexibele fotodetectoren met behulp van oplossingsverwerkte CsPbI_3‑xBr_x films (x = 1, 2). De resulterende apparaten vertonen snelle respons (90 µs/110 µs voor CsPbI₂Br en 100 µs/140 µs voor CsPbIBr₂), hoge aan/uit verhoudingen (~10⁴) en opmerkelijke detectiviteiten (~10¹² Jones) onder een 10 mV bias. Ze tonen ook uitstekende mechanische flexibiliteit en omgevingsweerstand, wat CsPbI_3‑xBr_x positioneert als een krachtige kandidaat voor flexibele fotodetectortechnologieën.

Methode

Materialen

Loodiodide (PbI₂, 99,99 %), loodbromide (PbBr₂, 99,99 %), cesiumiodide (CsI, 99,99 %) en cesiumbromide (CsBr, 99,99 %) werden bezorgd door Xi'an Polymer Light Technology Corporation. Diethylether (DEE), aceton, absolute ethanol, N,N-dimetylformamide (DMF) en dimethysulfoxide (DMSO) werden gekocht van Sigma-Aldrich.

Perovskiet precursors werden bereid onder inerte atmosfeer. Voor CsPbI₂Br, werden 1 M CsBr, 1 M PbBr₂, 2 M CsI en 2 M PbI₂ opgelost in een 9:1 volume mengsel van anhydrisch DMSO en DMF, daarna geroerd bij 75 °C voor >2 u. CsPbIBr₂ volgde een vergelijkbaar protocol met 2 M CsBr, 2 M PbBr₂, 1 M CsI en 1 M PbI₂.

Voorbereiding

Polyimide (PI) flexibele substraten werden achtereenvolgens gereinigd in aceton, absolute ethanol en gedemineraliseerd water voor 15 min, daarna oven-gedroogd. Intergedigite goude elektroden (80 nm) werden thermisch verdampt op de PI. Substraten werden UV-ozon behandeld voor 20 min voordat ze overgebracht werden naar een stikstof handskozenkast voor filmdepositie. CsPbI_3‑xBr_x films werden gespincast (80 µL precursor, 2000 rpm, 60 s) met een 0,5 mL DEE anti-solvent druppel 10 s voor het einde van het spinnen. Films werden geanneald bij 65 °C voor 5 min, daarna 135 °C voor 15 min.

Metingen en Karakterisaties

SEM-beeldvorming werd uitgevoerd met een FEI-INSPECT F50 veld-emissie SEM. XRD werd verzameld op een Bede D1 met Cu Kα straling. UV-vis absorptiespectra werden opgenomen met een Shimadzu UV-3101 PC. Stroom-spanning kenmerken werden gemeten met een Keithley 2636 onder 520 nm laserverlichting. Tijdelijke fotostroom werd vastgelegd met een Agilent DOS5012A oscilloscoop en een optische chopper. Alle metingen werden bij kamertemperatuur in omgevingsomstandigheden uitgevoerd.

Resultaten en Discussie

Om hoge-kwaliteit perovskietfilms te bereiken, werd een één-staps spincast protocol met DEE anti-solvent gebruikt. Figuur 1 toont bovenaanzicht SEM-beelden van CsPbI_3‑xBr_x films met en zonder DEE behandeling. Zonder DEE vertonen films talloze gaten en kleine korrels; met DEE wordt het oppervlak continu en korrels vergroten, wat bevestigt dat DEE de morfologie aanzienlijk verbetert.

SEM-beelden van CsPbI_3‑xBr_x films: (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂ zonder DEE; (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂ met DEE.

XRD-patronen (Fig. 2a) bevestigen de vorming van orthorhombische CsPbIBr₂ (pieken op 14,75°, 20,94°, 29,96°, 34,93°) en tetragonale CsPbI₂Br (pieken op 14,44°, 20,30°). UV-vis absorptiespectra (Fig. 2b) onthullen een bescheiden blauwverschuiving voor CsPbIBr₂ ten opzichte van CsPbI₂Br, toeschrijfbaar aan bromiede incorporatie. Tauc-analyse levert bandgaten van 1,91 eV (CsPbI₂Br) en 2,05 eV (CsPbIBr₂) op, in overeenstemming met literatuurwaarden.

(a) XRD-patronen; (b) absorptiespectra; (c) bandgat van CsPbI₂Br; (d) bandgat van CsPbIBr₂.

Apparaatarchitectuur (Fig. 3a) bestaat uit PI/Au intergedigite elektroden bedekt met CsPbI_3‑xBr_x. Onder 520 nm verlichting wordt de fotostroom gegenereerd via ladingstransport door de perovskietlaag (Fig. 3b). Fotostroommetingen (Fig. 3c,d) tonen maximum stromen van 180 µA (CsPbI₂Br) en 120 µA (CsPbIBr₂) bij een verlichtingsintensiteit van 8,23 mW cm⁻², bereikt bij een bias van slechts 10 mV. Tijdelijke respons (Fig. 3e,f) levert stijg/valtijden van 90 µs/110 µs (CsPbI₂Br) en 100 µs/140 µs (CsPbIBr₂), wat eerdere vergelijkbare flexibele apparaten overtreft.

(a) Apparaatstructuur; (b) ladingstransport schema; (c) I–t van CsPbI₂Br; (d) I–t van CsPbIBr₂; (e) stijg/val tijden voor CsPbI₂Br; (f) stijg/val tijden voor CsPbIBr₂.

Elektrische karakterisatie (Fig. 4) demonstreert symmetrisch I–V gedrag van –5 V tot +5 V, wat ohmische contacten en verwaarloosbare interfaciale barrières aangeeft. Onder lage bias bereiken de apparaten een aan/uit verhouding van ~10⁴. Responsiviteit en detectiviteit (Fig. 4c,d) pieken bij 10¹² Jones bij 10 mV, wat eerdere CsPbBr₃ flexibele PDs (10¹⁰ Jones bij 2 V) en starre CsPbBr₃ enkel-kristal PDs (10¹¹ Jones) overtreft.

Apparaat I–V curves (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂; responsiviteit en detectiviteit (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂ onder 10 mV.

Stabiliteitstesten (Fig. 5) onthullen dat na 30 dagen in omgevingslucht (35–45 % RH) de I–t curves met <3 % veranderen. Mechanische buiging (100 cycli bij 9,12 mm straal) induceert een verwaarloosbare <2–3 % prestatiedaling. Deze resultaten bevestigen de structurele integriteit en omgevingsweerstand van de CsPbI_3‑xBr_x fotodetectoren.

Herhaalbare I–t curves na 30 dagen in lucht: (a) CsPbI₂Br, (b) CsPbIBr₂; na 100 buigingen: (c) CsPbI₂Br, (d) CsPbIBr₂.

Conclusie

We hebben flexibele fotodetectoren geproduceerd met behulp van oplossingsverwerkte CsPbI_3‑xBr_x (x = 1, 2) films behandeld met DEE. De apparaten bereiken een 10⁴ aan/uit verhouding, 90–140 µs respons tijden en een detectiviteit van ~10¹² Jones onder een 10 mV bias. Belangrijk is dat de fotodetectoren prestaties behouden na 30 dagen in omgevingsomstandigheden en na 100 buigcycli, wat zowel omgevingsstabiliteit als mechanische flexibiliteit demonstreert. Deze bevindingen vestigen CsPbI_3‑xBr_x perovskiets als een robuust, laag-kost platform voor hoge-prestatie flexibele fotodetectie.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets gebruikt in deze studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijke verzoek.

Afkortingen

DEE

Diethylether

DMF

N,N-dimetylformamide

DMSO

Dimethysulfoxide

HHPs

Hybride halogide perovskiets

IHPs

Anorganische cesium lood halogide perovskiets

PDs

Fotodetectoren

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

UV-vis

Ultraviolet-zichtbaar

XRD

Röntgendiffractie