苏州大学 Adv. Funct. Mater: 基于无机钙钛矿CsPbI3-CsPbBr3异质结纳米线阵列的柔性自供电横向光电探测器

【背景介绍】

如今，由于无机钙钛矿具有很强的吸光性、较高的载流子迁移率和良好的稳定性，其在太阳能电池、光电探测器等领域被广泛的应用。尤其是在没有外部能源的情况下，自供电的钙钛矿光电探测器也可以工作。目前，研究最多的器件类型是垂直异质结。然而，由电荷传输层和顶部电极组成的垂直器件会导致入射光的损失和界面的大量缺陷，进而降低器件性能。但是，横向异质结器件则可以避免上述问题。光与有源层的直接接触可以减少光的反射和损耗，异质结的小接触面积可以减少缺陷。因此，自供电横向钙钛矿光电探测器在未来的应用中具有巨大的潜力。

高质量的无机CsPbI₃纳米线阵列具有较少的非理想晶界，是横向异质结器件的理想选择。然而，很少有报道基于黑相CsPbI₃的异质结结构。此外，横向异质结的窄耗尽区需要一对电极精确地位于钙钛矿薄膜的两侧，故一直利用电子束光刻（EBL）技术，但其会加速黑相CsPbI₃转变为黄色相CsPbI₃。因此，研究稳定的黑相CsPbI₃纳米线阵列和自供电的横向光探测器是非常有必要的。

【成果简介】

基于此，苏州大学物理科学与技术学院的李亮教授（通讯作者）团队报道了将由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）稳定的CsPbI₃膜打印成纳米线阵列，并利用原位转变和电极制造工艺实现了自供电钙钛矿CsPbI₃-CsPbBr₃异质结的横向光电探测器。通过优化前体溶剂的浓度，使晶体生长受到模板通道的限制，从而提高晶体质量和稳定性。对比平面薄膜器件，异质结纳米线阵列可有效的改善光响应特性。纳米线器件的响应度（R）为125 mA W^-1，快速上升/下降的时间为0.7/0.8 ms。在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）基底上进一步制造了异质结纳米线阵列。其光响应几乎与刚性设备相同，在500次弯曲循环后或在180°弯曲角度下仍可保持超过90％的初始性能。该研究成果以题为“Flexible and Self-Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI3-CsPbBr3 Heterojunction Nanowire Array”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、CsPbI₃纳米线阵列的表征
（a）CsPbI₃纳米线阵列的SEM图像；

（b-d）由不同前体浓度制备的纳米线阵列的XRD、TRPL和开关曲线。

图二、自供电光电探测器的原位转换和电极制造过程
（a）主要制造过程的示意图；

（b）薄膜的吸收曲线；

（c）最终设备的SEM图像；

（d）从电极的垂直间隙收集的线性EDX光谱。

图三、薄膜和纳米线阵列的性能测试
（a-b）薄膜和纳米线阵列的AFM图像和表面电势；

（c-d）从（a）和（b）中提取的CPD；

（e）薄膜和纳米线阵列器件的I-V曲线；

（f）R和光强度之间的关系。

图四、制成的柔性器件性能
（a）柔性薄膜的干扰现象。

（b）在0-500次周期不同弯曲下进行的弯曲测试；

（c）在0o-180^o的不同弯曲角度下进行的弯曲测试。

【总结】

综上所述，作者通过一种新颖的原位转换和电极制作方法，成功的制备了一种基于横向CsPbI₃-CsPbBr₃异质结纳米线阵列的自供电横向光电探测器。该纳米线阵列器件在零偏压下具有125 mA W^-1的R以及0.7和0.8 ms的快速上升和下降时间。该柔性装置在不同的弯曲条件下也具有良好的柔性。这项工作为横向钙钛矿异质结光电器件的应用开辟了新途径。

文献链接：Flexible and Self-Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI₃-CsPbBr₃ Heterojunction Nanowire Array.（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909771）

李亮教授课题组近期部分代表性论文：

1. Zhongze Liu, Fengren Cao, Meng Wang, Min Wang, Liang Li*. “Observing Defect Passivation of the Grain Boundary with 2‐Aminoterephthalic Acid for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 4190.

2. Haoxuan Sun, Wei Tian, Xianfu Wang, Kaimo Deng, Jie Xiong*, Liang Li*, “In Situ Formed Gradient Bandgap‐Tunable Perovskite for Ultrahigh‐Speed Color/Spectrum‐Sensitive Photodetectors via Electron‐Donor Control”, Adv. Mater. 2020, https://doi.org/10.1002/adma.201908108.

3. Wei Tian, Liangliang Min, Fengren Cao, Liang Li*, “Nested Inverse Opal Perovskite towards Superior Flexible and Self-Powered Photodetection Performance”, Adv. Mater. 2020, 1906974.

4. Haoxuan Sun, Kaimo Deng, Jie Xiong*, Liang Li*. “Graded Bandgap Perovskite with Intrinsic n-p Homojunction Expands Photon Harvesting Range and Enables All Transport Layer‐Free Perovskite Solar Cells”, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903347.

5. Meng Wang, Wei Tian, Fengren Cao, Min Wang, Liang Li*. “Flexible and Self‐Powered Lateral Photodetector Based on Inorganic Perovskite CsPbI3–CsPbBr3 Heterojunction Nanowire Array”, Adv. Funct. Mater. 2020, https://doi.org/10.1002/adfm.201909771.

6. Fengren Cao, Linxing Meng, Meng Wang, Wei Tian, Liang Li*, “Gradient Energy Band Driven High‐Performance Self‐Powered Perovskite/CdS Photodetector”, Adv. Mater. 2019, 31, 1806725.

7. Zhongze Liu, Kaimo Deng, Jun Hu, Liang Li*. “Coagulated SnO2 Colloids for High‐Performance Planar Perovskite Solar Cells with Negligible Hysteresis and Improved Stability”, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 11621.

8. Fengren Cao, Wei Tian, Meng Wang, Heping Cao, Liang Li*, “Semitransparent, Flexible, and Self‐Powered Photodetectors Based on Ferroelectricity‐Assisted Perovskite Nanowire Arrays”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901280.

9. Haoxuan Sun, Yu Zhou, Yu Xin, Kaimo Deng, Linxing Meng, Jie Xiong*, Liang Li*, “Composition and Energy Band–Modified Commercial FTO Substrate for In Situ Formed Highly Efficient Electron Transport Layer in Planar Perovskite Solar Cells”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808667.

10. Kaimo Deng, Zhongze Liu, Min Wang, Liang Li*. “Nanoimprinted Grating‐Embedded Perovskite Solar Cells with Improved Light Management”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900830.

本文由CQR编译。

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