有机-无机块体异质结二极管探测器的制备、光电响应及其界面陷阱调控机理研究

At present, high gain can be obtained in ZnO photoconductive UV detector based on lateral metal-semiconductor-metal (M-S-M) structure, but slow response and recovery speeds can be attributed to large lateral electrode spacing. To overcome this problem, this project will prepare photoconductive detector adopting vertical structure, and short vertical electrodes channel width can result in high gain and short photoresponse time. Based on the structure of organic polymer solar cells, we design ZnO-PVK organic-inorganic composite bulk heterojunction photodiode detector, which combines diode mode under dark and photoconductive mode under light, achieving low dark current and high gain two advantages into one device. This project will investigate the characteristic of organic-inorganic nanocomposite thin film, which is the effect of three factors including mixing ratio between organic and inorganic materials, thermal annealing and solvent annealing on the microstructure and photoelectrical property of bulk heterojunction thin film. The preparation and photoresponse performance of photodiode UV detector will also be studied, which is the effect of two factors including the thickness of active layer and electrode buffer layer on the photoresponse performance of photodetector. The main innovations include two points: one is that the interfacial trap-controlled organic-inorganic heterojunction will be introduced to obtain good photoresponse performance, the other is that comprehensive evaluation of the photoresponse performance of photodetector will be made by analyzing linear dynamic range and signal to noise ratio.

目前横向金属-半导体-金属结构的ZnO光电导紫外探测器虽然可以获得高的增益，但是大的横向电极间距导致了慢的响应和恢复速度，为了克服该难题，本项目设计了垂直结构的光电导探测器，其短的纵向电极沟道宽度导致了高的增益和短的响应时间。基于有机聚合物太阳能电池的结构，我们设计了ZnO-PVK有机-无机复合块体异质结二极管探测器，其结合了暗态下的二极管模式和光态下的光电导模式，从而使探测器实现了集低暗电流和高增益于一身。本项目拟开展有机-无机纳米复合组分薄膜的特性研究，研究有机-无机混合比例、热退火和溶剂退火对块体异质结薄膜微观结构和光电性能的影响；二极管紫外探测器的制备及其光电响应性能研究，研究有源层厚度和电极缓冲层对探测器光电响应性能的影响。主要创新点：引入界面陷阱调控的有机-无机异质结以获得优异的光电响应性能；通过分析二极管探测器的线性动态范围和信噪比以全面地评价探测器的光电响应性能。

本项目针对横向光电导紫外探测器具有慢的响应速度，提出采用垂直二极管结构，并采用多种界面陷阱调控手段，结合光电导和光电二极管的优点同时获得高的增益和短的响应时间。本项目以无机ZnO和CsPbBr3作为研究主体材料，采用了横向光电导、横向异质结光电导和垂直二极管三种光电探测器结构，发展了多种缺陷表征手段包括电学噪声评价、阻抗谱、热导纳谱、二极管理想因子、瞬态光电压测试以及稳态、瞬态荧光测试，电学和光学方法分别分析载流子输运和光生载流子的产生复合相关的材料和器件界面缺陷，最终研究了缺陷对器件性能和稳定性调控，建立了缺陷密度与具体工艺及后处理的对应关系。.主要创新研究成果：.1）采用介电泳组装单根AgNWs-ZnO分叉异质纳米线，揭示了异质结对光生载流子输运行为的调控作用，等离子处理可以降低表面的缺陷密度，促进光生载流子的转移。采用电学噪声评价了氧空位缺陷密度，封装的ZnO薄膜光电导探测器具有响应度6.7A/W和线性动态范围77dB。.2）合成强量子限域效应的CsPbBr3纳米片，光谱物理获得了激子结合能，开尔文探针显微镜（KPFM）从微观层面揭示钙钛矿纳米晶薄膜内的载流子输运过程，分析不同的光生电荷耦合。.3）通过热处理可以获得响应度0.53A/W的CsPbBr3纳米片薄膜光电导探测器具有，构筑CsPbBr3纳米晶/传输层异质结光电导探测器可以实现11A/W的响应度，归结于异质结有效的载流子输运特性。稳态、瞬态荧光光谱分析异质结的界面缺陷。.4）喷涂法制备的CsPbBr3纳米晶薄膜二极管探测器具有响应度3A/W和大的线性动态范围90dB，响应时间小于1ms，证明了垂直二极管结构能够提高响应速度。.5）采用路易斯酸处理可以显著提高钙钛矿太阳能电池的性能和湿度稳定性，揭示了钙钛矿薄膜缺陷类型及降解机理，验证了界面钝化对降低界面复合、抑制相分离和抵抗湿度的三个作用。.受本项目资助在国内外学术刊物上发表SCI论文35篇，他引超过600次。授权发明专利4项。本课题支持培养的博士和硕士合计7人。项目研究取得的研究成果超过预期，很好地完成了项目任务书的研究任务。