基于三维/二维叠层钙钛矿和非富勒烯的高灵敏快响应近红外光电探测器的研究

Solution-processed photodetectors have attracted extensive attention due to some advantages such as low cost, light and so on. However, The slow response speed of polymer type photodetectors, and hard to infrared response range of organic and inorganic hybrid perovskite photodetectors, are the main difficult problem of solution-processed photodetectors needed to be resolved currently. In this project, the applicant proposes a method to fabricate photodetectors based on both integrated three/two dimensional perovskite and non-fullerene materials. The stability can be improved by the three/two dimensional perovskite structure, the response range of perovskite materials can be extended by the near-infrared absorption of non-fullerene materials, and the resistance-capacitance constant can be reduced by modulating the relative thickness of perovskite layer. Meantime, the applicant will investigate the transport mechanism of photogenerated charges generated by different solar spectra, and the method of improving detector sensitivity. They will investigate the fabrication methods of two dimensional perovskite and the mechanism of reducing the defects in surface and grain boundary of three dimensional perovskite and suppressing ion migration. The above research will provide theory guidance and technology support for high sensitivity(<1 pW cm-2), broadband range(350-1000 nm), and ultrafast response(<1 ns) perovskite/non-fullerene composite photodetectors.

溶液法制备光电探测器具有低成本、重量轻等优点因而成为近年来的研究热点。但是，有机光电探测器的响应速度较慢，钙钛矿光电探测器稳定性差、响应范围难以覆盖近红外波段，是目前溶液法制备光电探测器面临的主要难题。本项目中，申请人提出一种基于三维/二维叠层钙钛矿和窄带隙非富勒烯制作光电探测器的方法，利用三维/二维叠层结构提高钙钛矿的稳定性，使用非富勒烯的近红外吸收拓展响应波段，优化钙钛矿层的厚度降低RC常数对响应时间的限制作用。同时，探索不同波段光生载流子在钙钛矿/非富勒烯界面的输运机制和提高探测灵敏度的方法，研究二维钙钛矿的制备方法和它对降低三维钙钛矿表面及晶隙间缺陷、抑制离子移动的作用机制，为制作高灵敏度(<1 pW cm-2)、宽波段(350-1000 nm)、超快响应(<1 ns)的钙钛矿/非富勒烯复合型光电探测器提供理论依据和技术支持。

高灵敏、宽谱段、长期稳定性的探测器，在国民经济的多个领域具有重要的研究意义。新型铅卤钙钛矿材料，具有高载流子迁移率、可调节的禁带宽度、大激子扩散距离和长载流子寿命等优点，在光电探测领域有重要应用，但是材料的稳定性较差、表面缺陷态密度高和探测谱段难以覆盖近红外等缺点，限制了探测器的发展。因此，本项目主要开展的研究工作包括：第一，发展新型高稳定、高质量钙钛矿薄膜、单晶材料的制备工艺，相继制作出大晶粒、少晶界的铅基钙钛矿和铅-锡钙钛矿薄膜，以及不同组分、不同尺寸的钙钛矿单晶，迁移率超过200 cm2/VS；第二，探索钙钛矿材料缺陷钝化新机制，揭示钙钛矿与有机体异质结的界面电荷输运机制，相继提出了路易斯碱钝化铅簇、偶氮苯钝化铅和氢键和螯合配位协同钝化缺陷同时抑制Sn2+氧化的作用机制和多组分应力调控机制，提升材料的光电特性和稳定性；第三，探索影响灵敏度、响应速度和动态线性范围提升、探测谱段拓展和工作稳定性提高的关键因素，突破性能和稳定性瓶颈，成功制作出系列纳米量级响应速度，比探测率超过10^12 Jones，动态线性范围超过210dB，稳定性超过450天的光电探测器，并且在高速光通信、声光转换系统、血氧饱和度测试和可见-近红外成像等方面实现重要应用。项目执行期间，项目负责人以通讯作者身份发表包括Nature photonics、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Energy Materials、Light: Science & Applications、Small在内的高水平研究论文20篇，第一发明人授权国家发明专利3项。高质量钙钛矿单晶和高灵敏探测的研究成果入选国家自然科学基金委信息科学学部重要研究成果，被国外专家在Light：Science & Applications期刊做亮点成果报道。宽谱探测器的工作入选Light：Science & Applications期刊2021年度10大杰出论文，ESI热点论文，2020年至今引用252次。针对该项目开展的系列研究工作，为研制高灵敏、快响应、宽谱段、高可靠性的钙钛矿光电探测器提供了理论方法和技术手段，并在成像、光通信、声光转换和近红外光可视化等方面，展现出较高的应用潜力。