Fotodetectores flexíveis de perovskita inorgânica processada por solução com alto desempenho

Resumo

Todo CsPbI inorgânico _3-x Br _x perovskitas têm sido amplamente utilizadas em fotodetectores devido às suas excelentes propriedades optoeletrônicas e processos simples de preparação. Aqui, fotodetectores flexíveis de alto desempenho baseados em CsPbI inorgânico _3-x Br _x perovskitas são demonstradas, que são obtidas por um método de processamento de solução modificado. Quando polarizado em uma baixa tensão de 10 mV, o dispositivo produziu velocidades de resposta rápidas (90 μs / 110 μs para CsPbI ₂ Br PDs e 100 μs / 140 μs para CsPbIBr ₂ PDs), uma alta proporção liga / desliga de 10 ⁴ e uma alta detectividade de cerca de 10 ¹² Jones. Enquanto isso, os dispositivos mostraram excelente estabilidade ambiental e flexibilidade mecânica. As curvas I-t periódicas apresentaram flutuação desprezível (<5%) após armazenamento em atmosfera de ar por 30 dias ou flexão por 100 vezes. Os resultados indicam que CsPbI _3-x Br _x perovskitas têm grande potencial em áreas de fotodetecção e pavimentam o caminho para alcançar PDs flexíveis de alto desempenho.

Introdução

Nas últimas décadas, uma variedade de materiais semicondutores inorgânicos tem chamado a maior parte das pesquisas em fotodetectores, como InGaAs, GaN, ZnO e Si [1,2,3,4,5,6]. Beneficiados por suas excelentes propriedades óticas e elétricas, os dispositivos baseados nesses materiais apresentam alta detectividade e rápida resposta à luz visível. No entanto, tais materiais são geralmente obtidos por abordagens extremamente complexas ou utilizando equipamentos caros [7,8,9], o que é um gargalo no caminho para sua aplicação comercial. Portanto, é muito importante buscar materiais substitutos mais promissores que reduzam o custo e simplifiquem o processo de preparação.

Recentemente, os materiais de perovskitas de haleto híbrido (HHPs) têm sido um dos pontos quentes de pesquisa no campo de dispositivos fotovoltaicos [10,11,12,13,14,15]. Na última década, as eficiências de conversão de energia das células solares de perovskita aumentaram de 3,8% para mais de 23% [16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27], devido às suas notáveis propriedades optoeletrônicas, como os méritos do bandgap ótimo, alto coeficiente de absorção e capacidade de transporte de portador ambipolar superior [28,29,30,31]. Além disso, a preparação de processos de solução simples e de baixo custo também faz com que as perovskitas tenham grande potencial na pesquisa de fotodetectores. No entanto, apesar dos dispositivos fotovoltaicos baseados em HHPs terem feito um progresso rápido e impressionante, eles ainda sofrem de baixa estabilidade [32, 33]. Em comparação com HHPs, perovskitas inorgânicas de haleto de césio e chumbo (IHPs) exibem melhor estabilidade no ar, indicando que IHPs é um candidato ideal para fotodetectores [34, 35]. Embora, CsPbI ₃ é instável em alta temperatura (acima de 300 ° C), o que pode ser melhorado substituindo o Br ^- metade para I ^- [36,37,38,39,40,41]. Portanto, CsPbI _3-x Br _x é muito adequado para projetar fotodetectores de alto desempenho.

Neste trabalho, preparamos CsPbI _3-x Br _x ( x =1, 2) filmes para fotodetectores de perovskita flexível (PDs). Os flexíveis perovskite PDs baseados em CsPbI _3-x Br _x exibiu velocidade de resposta rápida (90 μs / 110 μs para CsPbI ₂ Br PDs e 100 μs / 140 μs para CsPbIBr ₂ PDs), uma alta relação liga / desliga (10 ⁴ ), e uma alta detectividade (10 ¹² Jones) sob lâmpada de 520 nm com polarização de 10 mV. Enquanto isso, exibia excelente flexibilidade mecânica e estabilidade ambiental. Depois de manter o dispositivo por 30 dias em ar ambiente com umidade relativa de 35–45%, as curvas I-t periódicas do dispositivo são apenas ligeiramente diminuídas (~ 3%). Além disso, depois de dobrar os PDs flexíveis por 100 vezes sob o raio de curvatura de 9,12 mm, as curvas I-t periódicas do dispositivo mostraram mudança desprezível (redução <3%). Os resultados indicam o potencial de CsPbI _3-x Br _x perovskites para PDs flexíveis.

Método

Materiais

Iodeto de chumbo (PbI ₂ , 99,99%), brometo de chumbo (PbBr ₂ , 99,99%), iodeto de bário (CsI, 99,99%) e brometo de bário (CsBr, 99,99%) foram adquiridos da Xi’an Polymer Light Technology Corporation. Éter dietílico (DEE), acetona, etanol absoluto, N , N -dimetilformamida (DMF) e dimetilsulfóxido (DMSO) foram fornecidos pela Sigma-Aldrich.

A solução de perovskita foi preparada como segue. O CsPbI ₂ As soluções do precursor de Br perovskita foram preparadas pela mistura de 1 M (mol L ⁻¹ ) CsBr, 1 M PbBr ₂ , 2 M CsI e 2 M PbI ₂ em solventes anidros mistos de DMSO e DMF (9:1 em volume). O CsPbIBr ₂ As soluções de precursor de perovskita foram preparadas pela mistura de 2 M CsBr, 2 M PbBr ₂ , 1 M CsI e 1 M PbI ₂ em solventes anidros mistos de DMSO e DMF (9:1 em volume). Em seguida, as soluções de perovskita misturadas foram agitadas a 75 ° C por mais de 2 h. Todas as soluções devem ser preparadas em uma caixa de luvas de nitrogênio.

Preparação

Substratos flexíveis [poliimida (PI)] foram limpos consecutivamente com acetona, etanol absoluto e água deionizada por 15 min, respectivamente. E então os substratos foram secos em um forno. Posteriormente, o eletrodo dourado interdigitado (80 nm) foi evaporado sobre os substratos flexíveis por evaporação térmica. Antes do uso, os substratos padronizados foram tratados com ozônio UV por 20 min. Em seguida, os substratos flexíveis foram transferidos para uma caixa de luvas para a deposição de filmes de perovskita. O CsPbI _3-x Br _x os filmes foram preparados usando o método de spin-coating de antissolvente (DEE) em uma etapa. A solução precursora de oitenta microlitros foi revestida por spin a uma velocidade de 2.000 rpm por 60 s. Em seguida, 0,5 mL de éter dietílico foi derramado sobre as amostras 10 s antes do final dos processos de revestimento giratório. Em seguida, as amostras foram recozidas a 65 ° C por 5 min e 135 ° C por 15 min.

Medições e caracterizações

Imagens de microscópio eletrônico de varredura (MEV) foram obtidas usando MEV de emissão de campo (FEI-INSPECT F50, Holanda). A difração de raios X (XRD) foi realizada usando um sistema Bede D1 com radiação Cu Kα. O espectro de absorção ultravioleta-visível (UV-vis) foi medido por um espectrofotômetro UV-vis (Schimadzu UV-3101 PC). A corrente-tensão ( I-V ) curvas foram realizadas por analisador paramétrico Keithley 2636 semicondutor sob a iluminação de uma fonte de luz LD. A fotocorrente foi medida com um osciloscópio (Agilent DOS5012A) e um chopper óptico modulando a luz iluminada no dispositivo. Todas as medições foram realizadas em condições ambientais à temperatura ambiente.

Resultados e discussão

Antissolventes, que são freqüentemente usados na preparação de filmes de perovskita para obter uma morfologia de superfície de alta qualidade. Aqui, usamos o método de revestimento por rotação de uma etapa com antissolvente (DEE) para melhorar a morfologia de CsPbI _3-x Br _x filmes. A Figura 1 exibe as imagens SEM de vista plana de CsPbI _3-x Br _x filmes com ou sem tratamento DEE. Conforme mostrado na Fig. 1a, b, o CsPbI ₂ Br e CsPbIBr ₂ o filme sem tratamento DEE possui enormes orifícios e tamanho de grão de cristal pequeno. Em contraste, após o tratamento DEE na fabricação de perovskita, filme contínuo e grãos maiores são observados nas imagens de MEV (Fig. 1c, d). Os resultados das imagens SEM indicaram que a morfologia do CsPbI _3-x Br _x filmes foi significativamente melhorado pelo tratamento de DEE. Portanto, no trabalho subsequente, o processo de tratamento antissolvente foi adotado para preparar CsPbI _3-x Br _x filmes.

Imagem SEM do CsPbI _3-x Br _x filmes. a CsPbI ₂ Br, b CsPbIBr ₂ sem tratamento DEE e c CsPbI ₂ Br, d CsPbIBr ₂ com tratamento DEE

A fim de examinar a estrutura cristalina do CsPbI _3-x preparado Br _x filmes, padrões de XRD foram realizados. Conforme mostrado na Fig. 2a, as linhas vermelha e azul indicam os padrões de XRD de CsPbIBr ₂ filmes e CsPbI ₂ Br, respectivamente. Ficou claro observar, nas linhas vermelhas, os principais picos localizados em 14,75 °, 20,94 °, 29,96 ° e 34,93 °, que são atribuídos aos (100), (110), (200) e (210) fatos de CsPbIBr ₂ , respectivamente [41,42,43]. Nas linhas azuis, notamos dois picos principais centrados em 14,44 ° e 20,3 ° correspondentes aos planos (100) e (200) do CsPbI puro ₂ Fase Br α [44, 45]. Além disso, para certificar que o CsPbIBr ₂ e CsPbI ₂ Os filmes de Br foram preparados com sucesso, as curvas de absorção de UV-vis e os gráficos de Tauc foram medidos (Fig. 2b-d). Conforme mostrado na Fig. 2b, um pequeno deslocamento para o azul é visível no espectro de absorção do CsPbIBr ₂ filme em comparação com o CsPbI ₂ Filme Br, que é atribuído à diferença de bandgap entre CsPbI ₂ Br e CsPbIBr ₂ . Para explorar o gap óptico de CsPbI _3-x Br _x filme, calculamos a banda de energia (Eg) de acordo com a reflexão e transmissão através dos gráficos de Tauc, conforme mostrado nas Fig. 2c, d. Foi observado a partir dos gráficos de Tauc que Eg de CsPbI ₂ Br e CsPbIBr ₂ foram 1,91 eV e 2,05 eV, respectivamente, o que é consistente com o relatório anterior [46,47,48,49,50]. Os resultados indicaram o CsPbI _3-x Br _x os filmes foram fabricados com sucesso.

a Padrões de XRD. b Absorção do CsPbI _3-x Br _x filmes. O gap de banda de c CsPbI ₂ Br e d CsPbIBr ₂

Depois de confirmar as propriedades do CsPbI tratado _3-x Br _x filmes, preparamos os PDs flexíveis baseados em CsPbI _3-x Br _x filmes. Na Fig. 3a, os PDs flexíveis com a estrutura do dispositivo de eletrodos interdigitados PI / Au / CsPbI _3-x Br _x são mostrados. Quando é irradiado na camada de perovskita sob uma tensão de polarização, o transporte do portador de carga é formado em PDs, como mostrado na Fig. 3b. Finalmente, os elétrons (buracos) são coletados por eletrodos e circulados através de um circuito externo para gerar fotocorrente. Para caracterizar o desempenho de CsPbI _3-x Br _x PDs, medimos a fotocorrente sob a fonte LD de 520 nm em baixas tensões de polarização, como mostrado na Fig. 3c, d. O resultado mostrou que a fotocorrente máxima de CsPbI ₂ Br PDs e CsPbIBr ₂ Os PDs estavam além de 180 μA e 120 μA sob a intensidade de iluminação de 8,23 mW / cm ² , respectivamente. É importante ressaltar que a fotocorrente do dispositivo foi medida em uma tensão de polarização de 10 mV. Para avaliar a velocidade de resposta do dispositivo, investigamos a fotocorrente transitória do dispositivo. Como mostrado na Fig. 3c, d, o tempo de aumento e decaimento de CsPbI ₂ Br PDs são extraídos em cerca de 90 μs e 110 μs, respectivamente. O tempo de ascensão e decadência de CsPbIBr ₂ PDs foram encontrados em cerca de 100 μs e 140 μs, respectivamente. Em comparação com os mesmos dispositivos estruturais relatados anteriormente [12], os resultados manifestaram que o dispositivo baseado em CsPbI tratado com DEE _3-x Br _x camada de perovskita apresentou excelente desempenho.

a Estrutura do dispositivo do CsPbI _3-x Br _x PDs flexíveis . b Diagrama esquemático do transporte do portador de carga no dispositivo sob iluminação. Curvas I – t do c CsPbI ₂ Br PDs e d CsPbIBr2 PDs sobre luz de 520 nm a uma polarização de 10 mV. O tempo de subida (tonelada) e o tempo de queda (toff) de e CsPbI ₂ Br PDs e f CsPbIBr ₂ PDs, respectivamente

Para investigar melhor as características fotoelétricas dos PDs, a corrente escura e fotocorrente, responsividade e detectividade foram medidas e plotadas, como mostrado na Fig. 4. Como mostrado na Fig. 4a, b, as curvas de corrente escura e fotocorrente têm simetria aproximada quando a tensão foi alterada de - 5 para 5 V. Este resultado indicou a formação de um contato ôhmico entre o metal e a camada de perovskita. Devido à barreira de contato ser muito baixa para contato ôhmico, os portadores podem ser facilmente transferidos sob baixa polarização. Em baixas tensões de polarização, o CsPbI _3-x Br _x PDs flexíveis possuem uma alta relação liga / desliga de aproximadamente 10 ⁴ . Responsividade ( R ) e detectividade ( D *) dos PDs foram mostrados na Fig. 4c, d. A imagem ilustrou que o R e D * tinha altos valores sob luz fraca em baixa polarização, especialmente abaixo de 1 mW, junto com um alto D * de 10 ¹² Polarização de Jones a 10 mV. Zhang et al. relatou um CsPbBr ₃ com base em PDs flexíveis com um D * de 10 ¹⁰ Jones sob polarização de 2 V [12]. Ding et al. relatou PDs rígidos com base em CsPbBr ₃ cristais únicos com um D * de 10 ¹¹ Jones [51]. Portanto, o CsPbI _3-x Br _x Os PDs flexíveis baseados em baixa tensão de polarização exibem desempenhos excepcionais.

As curvas (I-V) de a CsPbI ₂ Br PDs e b CsPbIBr ₂ PDs para fotocorrente (520 nm LD) e corrente escura. A responsividade e detectividade (ilustração) do c CsPbI ₂ Br PDs e d CsPbIBr ₂ PDs (520 nm LD) sob tensão de 10 mV

A estabilidade ambiental e a flexibilidade mecânica são dois fatores importantes que influenciam a aplicação prática de fotodetectores à base de perovskita. Conforme descrito na Fig. 5, a estabilidade ambiental e a flexibilidade mecânica dos PDs foram testadas medindo as mudanças nas curvas I-t periódicas do dispositivo. Foi claramente observado que as curvas I-t do dispositivo mudaram ligeiramente (diminuição de ~ 3% para CsPbI ₂ Br PDs e diminuição de ~ 3% para CsPbIBr ₂ PDs). As mudanças nas correntes dos dispositivos podem ser ignoradas após serem expostos por 30 dias em condições ambientais a 35-45% de umidade relativa (Fig. 5a, b). Como mostrado na Fig. 5c, d, em comparação com as curvas I-t periódicas iniciais, uma oscilação desprezível foi observada (diminuição de ~ 2% para CsPbI ₂ Br PDs e diminuição de ~ 3% para CsPbIBr ₂ PDs) após dobrar o dispositivo cem vezes sob o raio de curvatura de 9,12 mm. Os resultados demonstram que nosso aparelho possui ótima estabilidade e também boa flexibilidade mecânica.

Comparação das curvas I-t reproduzíveis de a CsPbI ₂ Br PDs e b CsPbIBr ₂ PDs mantidos no ar por 30 dias. Comparação das curvas I-t reproduzíveis de c CsPbI ₂ Br PDs e d CsPbIBr ₂ PDs dobrando por 100 vezes

Conclusão

Em resumo, apresentamos os fotodetectores flexíveis baseados em CsPbI _3-x Br _x ( x =1, 2) filmes que foram tratados com DEE neste trabalho. Os dispositivos mostraram um desempenho excelente, comparável aos dispositivos da mesma configuração. Com uma polarização de 10 mV, os fotodetectores mostraram uma alta relação liga / desliga de 10 ⁴ sob iluminação de 520 nm, velocidade de resposta rápida (90 μs / 110 μs para CsPbI ₂ Br PDs e 100 μs / 140 μs para CsPbIBr ₂ PDs), e uma excelente detectividade (10 ¹² Jones). Além disso, os PDs flexíveis exibiram excelente estabilidade ambiental e flexibilidade mecânica. Depois de armazenar o dispositivo por 30 dias no ar com umidade relativa de 35–45%, as curvas I-t do dispositivo são apenas ligeiramente diminuídas (~ 3%). Além disso, o desempenho dos PDs mostrou uma alteração insignificante depois de dobrar o PD flexível cem vezes com um raio de curvatura de 9,12 mm. Este trabalho demonstra o enorme potencial do CsPbI _3-x Br _x perovskites na detecção de fotoelétrons e fornece uma abordagem promissora para alcançar alto desempenho.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e / ou analisados durante o presente estudo são obtidos do autor correspondente mediante solicitação razoável.

Abreviações

DEE:: Éter dietílico
DMF:: N , N -dimetilformamida
DMSO:: Dimetilsulfóxido
HHPs:: Perovskitas de haleto híbrido
IHPs:: Perovskitas inorgânicas de haleto de césio e chumbo
PDs:: Fotodetectores
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
UV-vis:: Visível por ultravioleta
XRD:: Difração de raios X

Rodas de vagão c-Si e c-SiGe em escala reduzida para a visualização da anisotropia e seletividade de agentes químicos úmidos Transformação de fase anisotrópica na liga de CuZr cristalino B2

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias