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材料中电荷输运的研究与应用前景

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：已报道的与钙钛矿复合实现光电探测器的低维纳米结构主要包含零维的量子点［64，134，157］与纳米颗粒［52，59，61，96］，以及一维的纳米线［55，136，140］。此外，Gao等人将单根ZnO纳米线与多晶薄膜MAPbI3复合构成了异质结构柔性光电导探测器［136］，较纯ZnO纳米线器件，异质结构器件的响应率及响应速度获得明显提升。

已报道的与钙钛矿复合实现光电探测器的低维纳米结构主要包含零维的量子点［64，134，157］与纳米颗粒［52，59，61，96］，以及一维的纳米线［55，136，140］。

引入量子点可以明显拓宽钙钛矿光电探测器的响应波谱范围。2015年，Liu等人制备了基于MAPbI3与PbS量子点的异质结构光伏型光电探测器，两种材料同时作为吸光层，将探测光谱拓宽至375～1100nm的范围［64］。他们所使用的器件结构为ITO／PEDOT：PSS／PbSQDs／MAPbI3／PC61BM／Al，其中小分子尺度的MAPbI3对PbSQDs表面的结构缺陷进行了钝化，降低了PbSQDs带隙中由陷阱引起的电子空穴复合概率并大幅度地减小了漏电流，器件在可见光和近红外区域探测率分别超过1013Jones和1012Jones。2017年，Yu等人制备了基于MAPbI3与PbSe量子点的异质结构晶体管型光电探测器，实现了从300～1500nm波长范围的宽带探测［157］，不过器件的响应率仅为1A／W，明显低于其他晶体管型钙钛矿光电探测器。此外，量子点也可用于实现异质结构倍增型钙钛矿光电探测器［134］，参见4.5节的介绍。

在过去，TiO2纳米颗粒、石墨纳米颗粒以及金纳米颗粒也被用于改善钙钛矿光电探测器的性能［158］。2014年，Xia等人制备了多晶薄膜MAPbI3与TiO2纳米颗粒异质结构光电导探测器［59］，较纯TiO2器件，明显提升了对白光探测的响应率及响应速度。2016年，Wang等人利用石墨纳米颗粒与纤维网络形貌的薄膜MAPbI3异质结构作为吸光层制备了光电导型探测器，基于钙钛矿与石墨纳米颗粒界面之间的电荷转移效应，器件的响应率和响应速度获得了明显提升［61］。同年，Sun等人将金纳米颗粒掺杂进石墨烯与MAPbI3多晶薄膜异质结构晶体管光电探测器［122］，器件结构如图5.1（e）所示。金纳米颗粒的引入有效地增强了钙钛矿材料的光吸收，带来更高浓度的光生载流子，并且由于光吸收增强主要发生在钙钛矿与石墨烯的界面处，有利于载流子收集效率的提高以及响应速度的改善。掺颗粒器件的响应率为2×103A／W，与未掺杂金纳米颗粒的器件相比提高了约一倍。

将ZnO等电子传输材料做成一维纳米线结构与钙钛矿材料复合，不仅能够为载流子传输提供更短路径，从而提高器件的响应速度，还可以减少载流子复合率，使得器件的响应率获得改善。2016年，Yu等人制备了器件结构如图5.1（f）所示的光伏型光电探测器［140］，他们使用水浴法生长了垂直于衬底的ZnO纳米线阵列，然后将MAPbI3多晶薄膜填充在ZnO纳米线阵列的间隙中。该器件在零偏压下响应率与探测率分别为24.3A／W与3.56×1014Jones，均高于传统的MAPbI3光伏型探测器（参见4.3节的介绍），并且在经过3个月光照后该器件的光电流仅下降9.3%，显示出优良的稳定性。此外，Gao等人将单根ZnO纳米线与多晶薄膜MAPbI3复合构成了异质结构柔性光电导探测器［136］，较纯ZnO纳米线器件，异质结构器件的响应率及响应速度获得明显提升。同年，Cao等人利用静电纺丝ZnO纳米线与多晶薄膜MAPbI3复合制备了异质结构光电导探测器［55］，他们的研究表明较杂乱的ZnO纳米线，有序的ZnO纳米线能够明显改善电荷的解离及收集性能，从而带来更高的亮暗电流比。