Photodétecteurs flexibles en pérovskite inorganique traité en solution à hautes performances

Introduction

Au cours des dernières décennies, une variété de matériaux semi-conducteurs inorganiques ont attiré l'attention de la recherche sur les photodétecteurs, tels que InGaAs, GaN, ZnO et Si [1,2,3,4,5,6]. Bénéficiant de leurs excellentes propriétés optiques et électriques, les dispositifs basés sur ces matériaux présentent une détectivité élevée et une réponse rapide à la lumière visible. Cependant, de tels matériaux sont généralement obtenus par des approches extrêmement complexes ou à l'aide d'équipements coûteux [7,8,9], ce qui constitue un goulot d'étranglement sur la voie de leur application commerciale. Par conséquent, il est très important de rechercher des matériaux de substitution plus prometteurs pour réduire les coûts et simplifier le processus de préparation.

Récemment, les matériaux pérovskites aux halogénures hybrides (HHP) ont été l'un des points chauds de la recherche dans le domaine des dispositifs photovoltaïques [10,11,12,13,14,15]. Au cours de la dernière décennie, les rendements de conversion de puissance des cellules solaires à pérovskite sont passés de 3,8 % à plus de 23 % [16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27], en raison à ses propriétés optoélectroniques remarquables, telles que les mérites de la bande interdite optimale, du coefficient d'absorption élevé et de la capacité supérieure de transport de porteurs ambipolaires [28,29,30,31]. De plus, la préparation de processus de solution simple et peu coûteuse fait également que les pérovskites ont un grand potentiel dans la recherche de photodétecteurs. Cependant, bien que les dispositifs photovoltaïques basés sur les HHP aient fait des progrès rapides et impressionnants, ils souffrent toujours d'une mauvaise stabilité [32, 33]. Par rapport aux HHP, les pérovskites aux halogénures de plomb et de césium inorganiques (IHP) présentent une meilleure stabilité dans l'air, indiquant que les IHP sont un candidat idéal pour les photodétecteurs [34, 35]. Bien que, CsPbI₃ est instable à haute température (supérieure à 300 °C), ce qui peut être amélioré en substituant le Br ⁻ moitié pour I ⁻ [36,37,38,39,40,41]. Par conséquent, CsPbI_3-x Br_x est très adapté à la conception de photodétecteurs hautes performances.

Dans ce travail, nous avons préparé CsPbI_3-x Br_x (x = 1, 2) films pour photodétecteurs à pérovskite flexibles (PD). Les PD de pérovskite flexibles basés sur CsPbI_3-x Br_x a présenté une vitesse de réponse rapide (90 μs/110 μs pour CsPbI₂ Br PDs et 100 μs/140 μs pour CsPbIBr₂ PD), un rapport marche/arrêt élevé (10 ⁴ ), et une détectivité élevée (10 ¹² Jones) sous une lampe de 520 nm avec une polarisation de 10 mV. Pendant ce temps, il présentait une flexibilité mécanique et une stabilité environnementale exceptionnelles. Après avoir maintenu l'appareil pendant 30 jours dans l'air ambiant à 35-45% d'humidité relative, les courbes I-t périodiques de l'appareil ne sont que légèrement diminuées (~ 3%). De plus, après avoir plié les PD flexibles 100 fois sous le rayon de pliage de 9,12 mm, les courbes I-t périodiques de l'appareil ont montré un changement négligeable (diminution <  3%). Les résultats indiquent le potentiel de CsPbI_3-x Br_x pérovskites pour les PD flexibles.

Méthode

Matériaux

Iodure de plomb (PbI₂ , 99,99 %), bromure de plomb (PbBr₂ , 99,99 %), l'iodure de baryum (CsI, 99,99 %) et le bromure de baryum (CsBr, 99,99 %) ont été achetés auprès de Xi'an Polymer Light Technology Corporation. Éther diéthylique (DEE), acétone, éthanol absolu, N ,N -diméthylformamide (DMF) et diméthylsulfoxyde (DMSO) ont été fournis par Sigma-Aldrich.

La solution de pérovskite a été préparée comme suit. Le CsPbI₂ Des solutions de précurseur de pérovskite Br ont été préparées en mélangeant le 1 M (mol L ⁻¹ ) CsBr, 1 M PbBr₂ , 2 M CsI et 2 M PbI₂ dans des solvants anhydres mixtes de DMSO et DMF (9:1 en volume). Le CsPbIBr₂ des solutions de précurseur de pérovskite ont été préparées en mélangeant le 2 M CsBr, 2 M PbBr₂ , 1 M CsI et 1 M PbI₂ dans des solvants anhydres mixtes de DMSO et DMF (9:1 en volume). Ensuite, les solutions mixtes de pérovskite ont été agitées à 75 °C pendant plus de 2 h. Toutes les solutions doivent être préparées dans une boîte à gants d'azote.

Préparation

Les substrats flexibles [polyimide (PI)] ont été nettoyés consécutivement avec de l'acétone, de l'éthanol absolu et de l'eau déminéralisée pendant 15 min, respectivement. Et puis les substrats ont été séchés dans un four. Par la suite, une électrode dorée interdigitée (80 nm) a été évaporée sur les substrats flexibles par évaporation thermique. Avant utilisation, les substrats à motifs ont été traités avec des UV-ozone pendant 20 min. Ensuite, les substrats flexibles ont été transférés dans une boîte à gants pour le dépôt de films de pérovskite. Le CsPbI_3-x Br_x les films ont été préparés en utilisant la méthode de revêtement par centrifugation en une étape anti-solvant (DEE). Une solution de précurseur de 80 microlitres a été déposée par centrifugation à une vitesse de 2 000 tr/min pendant 60 s. Ensuite, 0,5 mL d'éther diéthylique a été versé sur les échantillons 10 s avant la fin des processus de filage-enduction. Ensuite, les échantillons ont été recuits à 65 °C pendant 5 min et à 135 °C pendant 15 min.

Mesures et caractérisations

Des images au microscope électronique à balayage (MEB) ont été obtenues en utilisant un MEB à émission de champ (FEI-INSPECT F50, Hollande). La diffraction des rayons X (XRD) a été réalisée à l'aide d'un système Bede D1 avec un rayonnement Cu Kα. Le spectre d'absorption ultraviolet-visible (UV-vis) a été mesuré par un spectrophotomètre UV-vis (Schimadzu UV-3101 PC). Le courant-tension (I-V ) ont été réalisées par l'analyseur paramétrique à semi-conducteur Keithley 2636 sous l'éclairage d'une source lumineuse LD. Le photocourant a été mesuré avec un oscilloscope (Agilent DOS5012A) et un hacheur optique modulant la lumière illuminée sur l'appareil. Toutes les mesures ont été effectuées dans des conditions ambiantes à température ambiante.

Résultats et discussion

Anti-solvants, qui sont souvent utilisés dans la préparation de films de pérovskite pour obtenir une morphologie de surface de haute qualité. Ici, nous avons utilisé une méthode de revêtement par centrifugation en une étape avec un anti-solvant (DEE) pour améliorer la morphologie de CsPbI_3-x Br_x cinéma. La figure 1 présente les images SEM en plan de CsPbI_3-x Br_x films avec ou sans traitement DEE. Comme le montre la Fig. 1a, b, le CsPbI₂ Br et CsPbIBr₂ les films sans traitement DEE possèdent d'énormes trous d'épingle et une petite taille de grain de cristal. En revanche, après le traitement DEE dans la fabrication de la pérovskite, un film continu et des grains plus gros sont observés dans les images SEM (Fig. 1c, d). Les résultats des images SEM ont indiqué que la morphologie du CsPbI_3-x Br_x films a été significativement améliorée par le traitement du DEE. Par conséquent, dans les travaux ultérieurs, le procédé de traitement anti-solvant a été adopté pour préparer le CsPbI_3-x Br_x films.

Image SEM du CsPbI_3-x Br_x cinéma. un CsPbI₂ Frère, b CsPbIBr₂ sans traitement DEE et c CsPbI₂ Frère, d CsPbIBr₂ avec traitement DEE

Afin d'examiner la structure cristalline du CsPbI_3-x préparé Br_x films, des modèles XRD ont été réalisés. Comme le montre la figure 2a, les lignes rouges et bleues indiquent les modèles XRD de CsPbIBr₂ films et CsPbI₂ Br, respectivement. Il était clair d'observer, dans les lignes rouges, les principaux pics situés à 14,75°, 20,94°, 29,96° et 34,93°, qui sont attribués aux (100), (110), (200) et (210) faits de CsPbIBr₂ , respectivement [41,42,43]. Dans les lignes bleues, on note deux pics principaux centrés à 14,44° et 20,3° correspondant aux plans (100) et (200) du CsPbI₂ pur Br phase [44, 45]. De plus, pour certifier que le CsPbIBr₂ et CsPbI₂ Les films Br ont été préparés avec succès, les courbes d'absorption UV-vis et les tracés Tauc ont été mesurés (Fig. 2b–d). Comme le montre la figure 2b, un petit décalage vers le bleu est visible dans le spectre d'absorption du CsPbIBr₂ film par rapport au CsPbI₂ Film Br, qui a attribué à la différence de bande interdite entre CsPbI₂ Br et CsPbIBr₂ . Pour explorer la bande interdite optique de CsPbI_3-x Br_x film, nous avons calculé la bande d'énergie (Eg) en fonction de la réflexion et de la transmission à travers les tracés de Tauc, comme le montre la Fig. 2c, d. Il a été observé à partir des tracés de Tauc que Eg de CsPbI₂ Br et CsPbIBr₂ étaient respectivement de 1,91 eV et 2,05 eV, ce qui est cohérent avec le rapport précédent [46,47,48,49,50]. Les résultats ont indiqué le CsPbI_3-x Br_x les films ont été fabriqués avec succès.

un modèles XRD. b Absorption du CsPbI_3-x Br_x cinéma. La bande interdite de c CsPbI₂ Br et d CsPbIBr₂

Après avoir confirmé les propriétés du CsPbI_3-x traité Br_x films, nous avons préparé les PD flexibles basés sur CsPbI_3-x Br_x cinéma. Dans la Fig. 3a, les PD flexibles avec la structure de dispositif d'électrodes interdigitées PI/Au/CsPbI_3-x Br_x sont indiqués. Lorsqu'il est irradié sur la couche de pérovskite sous une tension de polarisation, le transport des porteurs de charge est formé dans les PD, comme le montre la figure 3b. Enfin, les électrons (trous) sont collectés par des électrodes et circulent dans un circuit externe pour générer un photocourant. Pour caractériser les performances de CsPbI_3-x Br_x PDs, nous avons mesuré le photocourant sous une source LD de 520 nm à de faibles tensions de polarisation, comme indiqué sur les Fig. 3c, d. Le résultat a montré que le photocourant maximal de CsPbI₂ Br PD et CsPbIBr₂ Les PD étaient supérieurs à 180 μA et 120 μA sous l'intensité d'éclairage de 8,23 mW/cm ² , respectivement. Il est important de noter que le photocourant de l'appareil a été mesuré à une tension de polarisation de 10 mV. Pour évaluer la vitesse de réponse de l'appareil, nous avons étudié le photocourant transitoire de l'appareil. Comme le montre la Fig. 3c, d, le temps de montée et de décroissance de CsPbI₂ Les PD de Br sont extraits à environ 90 μs et 110 μs, respectivement. Le temps de montée et de décroissance de CsPbIBr₂ Les PD étaient respectivement d'environ 100 μs et 140 μs. Par rapport aux mêmes dispositifs structurels rapportés précédemment [12], les résultats ont montré que le dispositif basé sur le CsPbI_3-x traité au DEE Br_x la couche de pérovskite a montré d'excellentes performances.

un Structure de l'appareil du CsPbI_3-x Br_x PD flexibles. b Schéma de principe du transport des porteurs de charge dans l'appareil sous éclairage. I–t courbes du c CsPbI₂ Br PD et d CsPbIBr2 PD sur une lumière de 520 nm à une polarisation de 10 mV. Le temps de montée (tonne) et le temps de descente (toff) de e CsPbI₂ Br PD et f CsPbIBr₂ PD, respectivement

Pour étudier plus en détail les caractéristiques photoélectriques des PD, le courant d'obscurité et le photo-courant, la réactivité et la détectivité ont été mesurés et tracés, comme le montre la figure 4. Comme le montre la figure 4a, b, les courbes de courant d'obscurité et de photocourant ont symétrie approximative lorsque la tension est passée de - 5 à 5 V. Ce résultat a indiqué la formation d'un contact ohmique entre le métal et la couche de pérovskite. Du fait que la barrière de contact est très faible pour le contact ohmique, les porteurs peuvent être facilement transférés sous une faible polarisation. À de faibles tensions de polarisation, le CsPbI_3-x Br_x les PD flexibles possèdent un rapport marche/arrêt élevé d'environ 10 ⁴ . Réactivité (R ) et la détectivité (D *) des PD ont été montrés dans la Fig. 4c, d. L'image montrait que le R et D * avait des valeurs élevées sous une lumière faible avec un faible biais, en particulier en dessous de 1 mW, ainsi qu'un D élevé * sur 10 ¹² Jones@10 mV de polarisation. Zhang et al. a signalé un CsPbBr₃ PD flexibles avec un D * sur 10 ¹⁰ Jones sous un biais de 2 V [12]. Ding et al. a signalé un PD rigide basé sur CsPbBr₃ monocristaux avec un D * sur 10 ¹¹ Jones [51]. Par conséquent, le CsPbI_3-x Br_x -Les PD flexibles fonctionnant sous de faibles tensions de polarisation présentent des performances exceptionnelles.

Les courbes (I-V) de a CsPbI₂ Br PD et b CsPbIBr₂ PD pour le photocourant (520 nm LD) et le courant d'obscurité. La réactivité et la détectivité (illustration) du c CsPbI₂ Br PD et d CsPbIBr₂ PD (520 nm LD) sous une tension de 10 mV

La stabilité environnementale et la flexibilité mécanique sont deux facteurs importants qui influencent l'application pratique des photodétecteurs à base de pérovskite. Comme décrit dans la Fig. 5, la stabilité environnementale et la flexibilité mécanique des PD ont été testées en mesurant les changements dans les courbes I-t périodiques de l'appareil. Il a été clairement observé que les courbes I-t de l'appareil ont légèrement changé (diminution d'environ  3 % pour CsPbI₂ Br PDs et ~ 3 % de diminution pour CsPbIBr₂ PD). Les changements de courant des appareils pourraient être ignorés après avoir été exposés pendant 30 jours dans des conditions ambiantes à 35-45% d'humidité relative (Fig. 5a, b). Comme le montre la Fig. 5c, d, par rapport aux courbes I-t périodiques initiales, une oscillation négligeable a été observée (diminution d'environ  2 % pour CsPbI₂ Br PDs et ~ 3 % de diminution pour CsPbIBr₂ PDs) après avoir plié l'appareil cent fois sous le rayon de courbure de 9,12 mm. Les résultats démontrent que notre appareil a une grande stabilité ainsi qu'une bonne flexibilité mécanique.

Comparaison des courbes I-t reproductibles de a CsPbI₂ Br PD et b CsPbIBr₂ Les PD sont conservés à l'air pendant 30 jours. Comparaison des courbes I-t reproductibles de c CsPbI₂ Br PD et d CsPbIBr₂ Les PD se plient 100 fois

Conclusion

En résumé, nous présentons les photodétecteurs flexibles basés sur CsPbI_3-x Br_x (x = 1, 2) films qui ont été traités au DEE dans ce travail. Les appareils ont montré d'excellentes performances, comparables aux mêmes appareils de configuration. Avec un biais de 10 mV, les photodétecteurs ont montré un rapport marche/arrêt élevé de 10 ⁴ sous un éclairage de 520 nm, vitesse de réponse rapide (90 μs/110 μs pour CsPbI₂ Br PDs et 100 μs/140 μs pour CsPbIBr₂ PD) et une excellente détectivité (10 ¹² Jones). De plus, les PD flexibles présentaient une stabilité environnementale et une flexibilité mécanique exceptionnelles. Après avoir stocké l'appareil pendant 30 jours dans l'air à 35-45% d'humidité relative, les courbes I-t de l'appareil ne sont que légèrement diminuées (~ 3%). De plus, les performances des PD ont montré un changement négligeable après avoir plié le PD flexible cent fois avec un rayon de courbure de 9,12 mm. Ce travail démontre l'énorme potentiel de CsPbI_3-x Br_x pérovskites dans la détection de photoélectrons et fournit une approche prometteuse pour atteindre des performances élevées.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont obtenus auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

DEE :

Éther diéthylique

DMF :

N ,N -diméthylformamide

DMSO :

Diméthylsulfoxyde

HHP :

Pérovskites hybrides aux halogénures

PHI :

Pérovskites aux halogénures de plomb au césium inorganique

PD :

Photodétecteurs

SEM :

Microscope électronique à balayage

UV-vis :

Ultraviolet-visible

XRD :

Diffraction des rayons X