广东省纳米微米材料研究重点实验室
Guangdong Key Laboratory of Nano-Micro Materials Research

重点实验室在钙钛矿光电探测器方面取得重大进展

时间:2020-12-23

探测波段可调自驱动钙钛矿窄带光电探测器

钙钛矿窄带光电探测器在成像、机器视觉和光学通讯领域具有极大的应用潜力。那么,如何才能制备出高性能探测波段可调的窄带光电探测器呢?近日,北京大学深圳研究生院杨世和团队利用制备的高质量钙钛矿厚膜,发展出CCN型探测波段可调自驱动钙钛矿窄带光电探测器

目前常见的制备窄带光电探测器的方式包括:(1)利用具有窄带吸收的材料或通过等离子共振增强材料对特定波长的吸收;(2)与将宽带光电探测器与带通滤波片或光学微孔结构耦合;(3)利用电荷收集窄化(CCN)机理调控量子效率。其中,CCN类型的探测器具有器件结构简单、探测波段可调等特点,因此具有极大优越性。CCN技术是通过对探测器中光子吸收和电荷收集进行调控实现窄带探测,活性层的厚度以及表面的缺陷对于形成窄带探测至关重要。目前钙钛矿窄带光电探测器主要基于单晶材料和多晶厚膜,存在制备方法复杂、耗时长、条件苛刻等制约因素,这限制了其更进一步的应用。

北京大学深圳研究生院杨世和团队开发的钙钛矿窄带光电探测器弥补了上述缺憾。作者利用ALS法在NiOx覆盖的FTO基底上沉积钙钛矿,并旋涂电子传输层、缓冲层和蒸镀银制备了p-i-n型自驱动光电探测器。刚制备出的器件为宽带光电探测器,然而用激光处理一段时间后转换为窄带光电探测器,钙钛矿膜越厚,效果越明显。这是由于激光在钙钛矿与NiOx界面间造成了大量的缺陷,由于短波长光子主要在此界面被钙钛矿吸收,所形成的光生载流子发生复合损失,无法被有效收集;与之相反,亚带隙光子在钙钛矿中有更大的穿透深度,所产生的光生载流子能够达到银电极被有效收集,从而形成窄带探测。

 

图1. ALS法制备的钙钛矿薄膜形貌和结构表征。图片来源:Adv. Mater.

该探测器具有极低的噪声电流(≈0.02 pA Hz-1/2),在800 nm探测度为1.27×1012 Jones,响应时间为12.7/6.9 μs。通过调节钙钛矿的组分,窄带探测波长从625到800 nm连续可调,探测半峰宽均小于30 nm,在生物检测、矿物勘探和光学通讯等领域显示出了极大的应用潜力。

 

图2. 钙钛矿窄带光电探测器性能表征。图片来源:Adv. Mater.

 

这一成果近期发表在《先进材料》期刊上(Adv. Mater. 2020, 2005557, DOI: 10.1002/adma.202005557

),该工作由杨世和教授指导,博士后王健等合作完成,该工作得到了中国博士后科学基金,广东省基础与应用基础研究基金,国家自然科学基金,深圳孔雀计划,深圳和香港合作研究项目和南山领航计划的支持。

 

论文信息

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005557

Self-Driven Perovskite Narrowband Photodetectors with Tunable Spectral Responses

Jian Wang, Shuang Xiao, Wei Qian, Kai Zhang, Jun Yu, Xiuwen Xu, Gaopeng Wang, Shizhao Zheng, and Shihe Yang*

Adv. Mater. 2020, 2005557, DOI: 10.1002/adma.202005557

 

 

杨世和教授简介

 

 

 

 

 

 

杨世和教授是长江学者讲座教授,国家杰出青年基金(海外)获得者,深圳市太阳能燃料开发创新团队带头人。在香港科技大学执教近30年,现为北京大学深圳研究生院教授。已在国际期刊发表论文600余篇,h指数111 (google scholar citations)。研究领域包括团簇、富勒烯及纳米材料的物理化学,近年来聚焦于分子及纳米材料结构功能的基础及其在能源、环境、医疗等方面的应用。

 

 

科研思路分析

 

Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

 

A:我们最初的研究集中在钙钛矿天阳能电池。研究中发现,载流子复合对缺陷非常敏感,同时找到了精准控制这种缺陷产生的方法。如上所述,在更高的层面上,我们的研究兴趣是研发高性能的光电子器件。所以我们意识到上述发现可以通过我们制备的厚膜巧妙地应用到自驱动窄带光电探测器。钙钛矿窄带光电探测器在生物、通讯和人工智能领域有极其广泛的应用价值。然而目前制备钙钛矿窄带光电探测器的方法存在操作复杂、耗时长、条件苛刻等因素。我们的目标是开发一种简单廉价且利于推广的制备高质量钙钛矿厚膜以及高性能窄带光电探测器的方法,满足应用需求。这为低成本、高性能光电探测器的制备和市场化提供了一条理想途径。

 

Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:该窄带光电探测器具有自驱动、探测波段可调、低噪声、高探测度和高响应速度等特点,因此对于需要探测特定波长的应用场景如生物检测、矿物勘探、人工智能、超光谱成像等具有非常大的应用潜力。我们相信这项研究成果为窄带探测领域提供了一种性能优异的、并且可产业化制备的探测器,对于钙钛矿光电子器件的研究和市场化产生推动作用。