Photodétecteurs flexibles haute performance à base de pérovskites inorganiques CsPbI₃₋ₓBrₓ traitées en solution

Résumé

Les pérovskites halogénures inorganiques de césium-plomb, CsPbI₃₋ₓBrₓ, ont émergé comme matériaux prometteurs pour les photodétecteurs grâce à leurs excellentes caractéristiques optoélectroniques et la simplicité de la fabrication par solution. Ici, nous démontrons des photodétecteurs flexibles fabriqués par une approche modifiée de traitement en solution qui délivrent un rapport marche/arrêt de 10⁴, une détectivité de ~10¹² Jones, et des temps de montée/descente inférieurs à 100 µs sous un biais de 10 mV à l'illumination 520 nm. Les dispositifs maintiennent leur performance après 30 jours dans l'air ambiant (35–45 % HR) et après 100 cycles de flexion à un rayon de 9,12 mm, soulignant leur robustesse mécanique et leur stabilité environnementale. Ces résultats mettent en évidence les pérovskites CsPbI₃₋ₓBrₓ comme une plateforme convaincante pour les technologies de photodétection flexibles, à faible coût, de prochaine génération.

Introduction

Au cours des deux dernières décennies, les semi-conducteurs inorganiques tels que InGaAs, GaN, ZnO et Si ont dominé la recherche sur les photodétecteurs en raison de leurs propriétés optiques et électriques supérieures, produisant une haute détectivité et des temps de réponse rapides. Cependant, leurs protocoles de croissance complexes et leurs coûts d'équipement élevés entravent la commercialisation à grande échelle. Par conséquent, il existe une demande croissante d'alternatives rentables et évolutives qui conservent une haute performance.

Les pérovskites halogénures hybrides (HHP) ont attiré une attention considérable dans le photovoltaïque, avec des rendements de conversion d'énergie passant de 3,8 % à plus de 23 % en seulement une décennie, grâce à des gaps de bande optimaux, des coefficients d'absorption élevés et un transport de porteurs ambipolaire. Malgré leur potentiel de photodétection, les HHP souffrent d'une mauvaise stabilité environnementale, limitant le déploiement pratique. En contraste, les pérovskites halogénures inorganiques de césium-plomb (IHP) exhibent une stabilité à l'air supérieure, les rendant idéales pour les applications de photodétection. Alors que CsPbI₃ se dégrade au-dessus de 300 °C, la substitution partielle d'iodure par du bromure (formant CsPbI₃₋ₓBrₓ) stabilise la phase pérovskite et adapte le gap de bande.

Dans cette étude, nous avons fabriqué des photodétecteurs flexibles en utilisant des films CsPbI₃₋ₓBrₓ traités en solution (x = 1, 2). Les dispositifs résultants exhibent une réponse rapide (90 µs/110 µs pour CsPbI₂Br et 100 µs/140 µs pour CsPbIBr₂), des rapports marche/arrêt élevés (~10⁴) et des détectivités remarquables (~10¹² Jones) sous un biais de 10 mV. Ils démontrent également une flexibilité mécanique et une résilience environnementale exceptionnelles, positionnant CsPbI₃₋ₓBrₓ comme un candidat puissant pour les technologies de photodétection flexibles.

Méthode

Matériaux

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

Les précurseurs pérovskites ont été préparés sous atmosphère inerte. Pour CsPbI₂Br, 1 M CsBr, 1 M PbBr₂, 2 M CsI et 2 M PbI₂ ont été dissous dans un mélange volumique 9:1 de DMSO et DMF anhydres, puis agités à 75 °C pendant >2 h. CsPbIBr₂ a suivi un protocole similaire avec 2 M CsBr, 2 M PbBr₂, 1 M CsI et 1 M PbI₂.

Préparation

Les substrats flexibles en polyimide (PI) ont été nettoyés séquentiellement dans l'acétone, l'éthanol absolu et l'eau déionisée pendant 15 min, puis séchés au four. Des électrodes interdigitées en or (80 nm) ont été évaporées thermiquement sur le PI. Les substrats ont été traités UV-ozone pendant 20 min avant transfert dans une boîte à gants azote pour le dépôt de film. Les films CsPbI₃₋ₓBrₓ ont été déposés par essorage (80 µL précurseur, 2000 tr/min, 60 s) avec une goutte d'anti-solvant DEE de 0,5 mL 10 s avant la fin de l'essorage. Les films ont été recuits à 65 °C pendant 5 min, puis 135 °C pendant 15 min.

Mesures et caractérisations

L'imagerie MEB a été réalisée avec un MEB à émission de champ FEI-INSPECT F50. Le DRX a été collecté sur un Bede D1 utilisant le rayonnement Cu Kα. Les spectres d'absorption UV-vis ont été enregistrés avec un Shimadzu UV-3101 PC. Les caractéristiques courant-tension ont été mesurées en utilisant un Keithley 2636 sous illumination laser 520 nm. Le photocourant transitoire a été capturé avec un oscilloscope Agilent DOS5012A et un hacheur optique. Toutes les mesures ont été conduites à température ambiante dans des conditions ambiantes.

Résultats et discussion

Pour obtenir des films pérovskites de haute qualité, un protocole d'essorage en une étape avec anti-solvant DEE a été employé. La Figure 1 montre les images MEB en vue de plan des films CsPbI₃₋ₓBrₓ avec et sans traitement DEE. Sans DEE, les films exhibent de nombreux trous d'épingle et de petits grains ; avec DEE, la surface devient continue et les grains s'agrandissent, confirmant que le DEE améliore markedly la morphologie.

Les diagrammes DRX (Fig. 2a) confirment la formation de CsPbIBr₂ orthorhombique (pics à 14,75°, 20,94°, 29,96°, 34,93°) et de CsPbI₂Br tétragonal (pics à 14,44°, 20,30°). Les spectres d'absorption UV-vis (Fig. 2b) révèlent un léger décalage vers le bleu pour CsPbIBr₂ par rapport à CsPbI₂Br, attribuable à l'incorporation de bromure. L'analyse de Tauc donne des gaps de bande de 1,91 eV (CsPbI₂Br) et 2,05 eV (CsPbIBr₂), en accord avec les valeurs de la littérature.

L'architecture du dispositif (Fig. 3a) consiste en PI/électrodes interdigitées Au recouvertes de CsPbI₃₋ₓBrₓ. Sous illumination 520 nm, le photocourant est généré via le transport de porteurs de charge à travers la couche pérovskite (Fig. 3b). Les mesures de photocourant (Fig. 3c,d) montrent des courants maximums de 180 µA (CsPbI₂Br) et 120 µA (CsPbIBr₂) à une intensité d'illumination de 8,23 mW cm⁻², atteints à un biais de seulement 10 mV. La réponse transitoire (Fig. 3e,f) donne des temps de montée/descente de 90 µs/110 µs (CsPbI₂Br) et 100 µs/140 µs (CsPbIBr₂), surpassant les dispositifs flexibles comparables rapportés précédemment.

La caractérisation électrique (Fig. 4) démontre un comportement I–V symétrique de –5 V à +5 V, indiquant des contacts ohmiques et des barrières interfaciales négligeables. Sous faible biais, les dispositifs atteignent un rapport marche/arrêt de ~10⁴. La responsivité et la détectivité (Fig. 4c,d) culminent à 10¹² Jones à 10 mV, surpassant les PD flexibles CsPbBr₃ précédents (10¹⁰ Jones à 2 V) et les PD monocristallins rigides CsPbBr₃ (10¹¹ Jones).

Les tests de stabilité (Fig. 5) révèlent qu'après 30 jours dans l'air ambiant (35–45 % HR), les courbes I–t changent de <3 %. La flexion mécanique (100 cycles à 9,12 mm de rayon) induit une chute de performance négligeable de <2–3 %. Ces résultats confirment l'intégrité structurelle et la résilience environnementale des photodétecteurs CsPbI₃₋ₓBrₓ.

Conclusion

Nous avons fabriqué des photodétecteurs flexibles en utilisant des films CsPbI₃₋ₓBrₓ (x = 1, 2) traités en solution et traités avec DEE. Les dispositifs atteignent un rapport marche/arrêt de 10⁴, des temps de réponse de 90–140 µs, et une détectivité de ~10¹² Jones sous un biais de 10 mV. Importamment, les photodétecteurs retiennent leur performance après 30 jours dans des conditions ambiantes et après 100 cycles de flexion, démontrant à la fois la stabilité environnementale et la flexibilité mécanique. Ces résultats établissent les pérovskites CsPbI₃₋ₓBrₓ comme une plateforme robuste, à faible coût, pour la photodétection flexible haute performance.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données utilisés dans cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

DEE

Éther diéthylique

DMF

N,N-diméthylformamide

DMSO

Diméthylsulfoxyde

HHP

Pérovskites halogénures hybrides

IHP

Pérovskites halogénures inorganiques de césium-plomb

PD

Photodétecteurs

MEB

Microscope électronique à balayage

UV-vis

Ultraviolet-visible

DRX

Diffraction des rayons X