Solusi Struktur Trilayer yang Diproses untuk Fotodetektor Perovskit Berkinerja Tinggi

Abstrak

Karena kinerjanya yang luar biasa, biaya rendah, kemudahan fabrikasi, beragam aplikasi fotonik, dan optoelektronik, perovskit halida logam telah menarik minat yang luas dalam aplikasi fotodetektor. Saat ini, perangkat yang dibuat oleh oksida logam, sulfida logam, dan bahan 2D telah mencapai responsivitas yang baik, tetapi mengalami arus gelap yang tinggi, kecepatan respons yang lambat, rasio on-off yang kecil, dan stabilitas yang buruk. Keseluruhan kinerja fotodetektor ini tidak memuaskan. Di sini, perovskit lateral (CH₃ NH₃ PbBr₃ )/Ethanolamine/TiO₂ (dalam etanol) fotodetektor trilayer dirancang untuk mencapai kinerja tinggi. Perawatan EA meningkatkan ekstraksi elektron dan mengurangi rekombinasi yang tidak diinginkan. Perangkat tiga lapis ini menunjukkan kinerja yang baik dengan arus gelap rendah 1,5 × 10⁻¹¹ A, rasio hidup-mati tinggi 2700, fotodetektifitas tinggi 1,51 × 10¹² Jones, responsivitas tinggi 0,13 A W⁻¹ , dan stabilitas tinggi, dibandingkan dengan perangkat lapisan tunggal konvensional. Karya ini memberikan cara untuk meningkatkan kinerja fotodetektor perovskit halida logam.

Pengantar

Fotodetektor memiliki aplikasi yang luas termasuk komunikasi optik, penginderaan bio-medis, dan pemantauan pencemaran lingkungan [1,2,3]. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan perovskit timbal halida organik-anorganik telah menarik pertimbangan yang berlebihan karena fitur luar biasa mereka seperti penyerapan optik yang tinggi, waktu hidup pembawa muatan yang lama, dan panjang difusi yang panjang [4,5,6,7,8,9] . Karakteristik ini menunjukkan bahwa perovskit organik-anorganik adalah bahan yang sangat baik untuk aplikasi fotodetektor [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Sampai saat ini, struktur vertikal telah banyak digunakan untuk fotodetektor [22,23,24,25,26,27]. Baru-baru ini, Zhang dkk. fotodetektor perovskit dibuat dengan menggunakan struktur vertikal [27]. Perangkat ini menunjukkan kemampuan dan kinerja cahaya yang baik, tetapi mengalami arus gelap yang tinggi (1,5 nA). Menariknya, struktur lateral fotodetektor telah menarik pertimbangan yang luar biasa karena kerugian konduksi yang rendah dan proses fabrikasi yang sederhana dan berbiaya rendah. Bahan seperti dichalcogenides logam transisi [28, 29], oksida logam [30, 31], dan bahan organik [32, 33] telah digunakan untuk aplikasi fotodetektor, di antaranya bahan perovskit menarik banyak pertimbangan. Perangkat perovskit satu lapis dibuat, tetapi menunjukkan rasio hidup/mati yang rendah, arus gelap yang tinggi, dan ketidakstabilan listrik yang buruk [34, 35]. Misalnya, Ding dkk. membuat perangkat lapisan tunggal yang memiliki arus gelap tinggi, deteksi rendah, dan rasio on-off rendah [35]. Sebuah fotodetektor organik-perovskit yang dirancang oleh Wang et al. telah mencapai kinerja yang baik, tetapi memiliki arus gelap yang besar (mulai dari 10⁻⁷ sampai 10⁻⁸ J) [36]. Chen dkk. fotodetektor perovskit bilayer dengan memperkenalkan lapisan polimer organik dan antarmuka heterojungsi yang dimodifikasi untuk meningkatkan kinerja perangkat, tetapi perangkat masih menunjukkan arus gelap yang besar dan deteksi yang rendah [37]. Namun, deteksi rendah (D *) dan arus gelap yang tinggi diamati karena ketidakcocokan penghalang antarmuka heterojungsi yang buruk yang meningkatkan rekombinasi pembawa. Jadi, pilihan material yang cocok untuk lapisan antarmuka penting untuk kinerja perangkat [33, 38]. Kristal tunggal CH₃ NH₃ PbBr₃ fotodetektor juga telah dibuat [39,40,41], tetapi hasilnya tidak memuaskan karena rasio on-off yang kecil dan arus gelap yang tinggi (≈10⁻¹⁰ A).

Banyak pendekatan telah diterapkan untuk meningkatkan kinerja perangkat dengan menyeimbangkan transportasi pembawa dan meminimalkan resistensi persimpangan dengan mencocokkan tingkat energi antara lapisan material. Misalnya, fluorida logam [42], polielektrolit terkonjugasi [43], dan pelarut polar [44] digunakan untuk mengurangi ketidaksesuaian penghalang energi antara oksida logam (ZnO, MoO₃ , ZrO₂ ) dan lapisan aktif untuk meningkatkan kinerja perangkat optoelektronik.

Dalam makalah ini, kami membuat fotodetektor perovskit trilayer lateral dengan memasukkan lapisan dipol antarmuka etanolamina, yang memberikan ekstraksi elektron tinggi dengan penekanan rekombinasi pembawa yang tidak diinginkan, dan sebagai hasilnya perangkat menunjukkan peningkatan kinerja. Dalam struktur yang dirancang ini, cahaya dengan intensitas 0,5 mW cm⁻² menyerap CH₃ NH₃ PbBr₃ film dan gerakan pembawa diadakan di TiO alkohol₂ film. Celah penghalang energi antara TiO alkohol₂ dan CH₃ NH₃ PbBr₃ film direduksi dengan memasukkan lapisan etanolamin. Fotodetektor tiga lapis yang dirancang menunjukkan kinerja luar biasa dengan arus gelap rendah 1,5 × 10⁻¹¹ A, fotodetektifitas 1,51 × 10¹² Jones, rasio hidup-mati 2700, waktu naik 0,49 d, waktu peluruhan 1,17 d, rentang dinamis linier (LDR) 68,6 dB, dengan stabilitas lingkungan yang tinggi.

Hasil dan Diskusi

Fotodetektor tunggal dan tiga lapis dibuat pada substrat kaca masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, b. Pertama-tama, TiO₂ (dicampur dalam etanol) dibuat pada substrat kaca, dan kemudian film etanolamina diendapkan pada TiO₂ , setelah itu, elektroda Al setebal 60 nm diendapkan dengan evaporasi termal pada film etanolamin dengan menggunakan shadow mask, menghasilkan lebar saluran 2000 μm dan panjang saluran 30 μm. Kemudian MAPbBr₃ film diendapkan pada film ethanolamine (EA) (detailnya ada di bagian "Metode/Eksperimental"). Gambar 1c menunjukkan gambar fotodetektor tiga lapis.

a Perangkat lapisan tunggal. b Perangkat tiga lapis. c Gambar optik perangkat tiga lapis

Gambar 2a menunjukkan pola XRD (difraksi sinar-X) dari MAPbBr₃ film dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ film tiga lapis. Empat puncak MAPbBr₃ dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ film trilayer pada 15,16°, 30,32°, 46,04°, dan 62,76° diamati dengan jelas. Tidak ada puncak karakteristik PbBr₂ , TiO2 alkoholik₂ , dan EA diamati di MAPbBr₃ /EA/TiO₂ film tiga lapis. Ini menunjukkan kemurnian tinggi dari perovskite. Gambar 2b menyajikan penyerapan film single dan trilayer. TiO₂ dan film EA tidak menampilkan penyerapan apa pun. Semua penyerapan dilakukan dalam film perovskite baik untuk perangkat single dan trilayer. Tidak ada perbedaan penyerapan mencolok yang diamati antara MAPbBr₃ film dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ film tiga lapis. Celah pita 2,3 eV juga diamati oleh spektrum serapan. Penyerapan berbeda (PbBr₂ ) rasio ditunjukkan pada Gambar. 2c.

a Pola difraksi sinar-X dari MAPbBr₃ film dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ film tiga lapis. b MAPbBr₃ film dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ spektrum penyerapan film trilayer. c Spektrum serapan pada rasio PbBr yang berbeda₂

Morfologi permukaan MAPbBr₃ film dipelajari dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM). Sejumlah besar lubang pin dan retakan diamati pada film perovskit ketika dianil pada suhu yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Karena lubang pin atau retakan bertindak sebagai pusat rekombinasi non-radiatif yang menghasilkan kinerja perangkat yang merugikan [45]. Di sisi lain, morfologi padat dan bebas retak diperoleh dengan ukuran butir besar ketika film perovskit dianil pada 75 °C selama 10 menit (Gbr. 3b). Dengan demikian, suhu anil yang dioptimalkan membantu dalam memperoleh film yang sangat kristalin tanpa lubang kecil dan retakan, yang dapat mendorong proses pemisahan dan pengangkutan pembawa yang tereksitasi oleh foto [45, 46].

Gambar SEM dari MAPbBr₃ film diperlakukan a pada 100 °C dan b pada 75 °C

Gambar 4a–c menunjukkan diagram energi pita dari TiO alkohol₂ , etanolamin, dan MAPbBr₃ (ditentukan oleh pengukuran spektroskopi fotoelektron ultraviolet (UPS). Tingkat Fermi yang dicapai untuk TiO alkohol₂ , etanolamin, dan perovskit masing-masing adalah 3,84, 4,35, dan 5 eV. Perhitungan pita konduksi maxima (CBM) untuk alkohol TiO₂ , etanolamin, dan perovskit masing-masing adalah 3,81, 3,62, dan 3,4 eV. Diagram energi pita MAPbBr₃ /EA/TiO₂ menunjukkan bahwa rangsangan yang dihasilkan oleh foto terbentuk dalam film perovskit seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Oleh karena itu, elektron dan hole dapat dipisahkan melalui MAPbBr₃ /EA antarmuka. Elektron akan mengalir ke EA kemudian jatuh ke TiO₂ film, dan lubang foto akan tetap berada di MAPbBr₃ film.

UPS (spektra fotoelektron ultraviolet) a TiO₂ film. b Film etanolamin. c MAPbBr₃ film. d Diagram pita energi. Aku –V karakteristik perangkat fotodetektor pada rasio optimal (1:1):e di bawah gelap, f di bawah cahaya dengan intensitas 0,50 mW cm⁻² . g Aku –V karakteristik fotodetektor tiga lapis pada rasio perovskit yang berbeda

Gambar 4e, f menyajikan I -V kurva TiO alkohol₂ perangkat, MAPbBr₃ perangkat, dan MAPbBr₃ /EA/TiO₂ perangkat tiga lapis (di bawah gelap dan di bawah penerangan terang dengan intensitas 0,5 mW cm⁻² ). Arus gelap tinggi dengan nilai 1,24 × 10⁻⁸ A dihitung untuk TiO2 alkohol₂ perangkat, sedangkan nilai arus foto hampir mirip dengan nilai arus gelap. Arus gelap yang tinggi dan arus foto yang rendah pada perangkat ini diamati pada bias 5 V. Perangkat lapisan tunggal yang dibuat oleh MAPbBr₃ menunjukkan nilai arus gelap adalah 1,41 × 10⁻¹⁰ A dan nilai arus foto adalah 9,95 × 10⁻⁹ A, yang menunjukkan kinerja yang lebih baik daripada TiO alkohol₂ perangkat berbasis. Sebagai perbandingan, MAPbBr₃ /EA/TiO₂ perangkat trilayer menunjukkan arus gelap yang lebih rendah sebesar 1,51 × 10⁻¹¹ A dan arus foto yang ditingkatkan sebesar 4,09 × 10⁻⁸ A. Wilayah penipisan dibuat di sekitar MAPbBr₃ /EA antarmuka adalah alasan kecilnya arus gelap di MAPbBr₃ /EA/TiO₂ perangkat trilayer, karena area konduksi dikontrak dan arus gelap ditekan. Rekombinasi besar terjadi pada fotodetektor lapisan tunggal, karena lubang dan elektron diangkut dalam lapisan yang sama. Itulah alasan mengapa arus foto dari fotodetektor trilayer lebih tinggi daripada fotodetektor satu lapis lainnya. Untuk fotodetektor trilayer, elektron dan lubang yang dihasilkan foto dipisahkan oleh heterojunction. Elektron akan berpindah dari MAPbBr₃ film ke film EA dan kemudian ke TiO beralkohol₂ film melalui antarmuka. Karena itu, elektron akan dipisahkan dari lubang, karena rekombinasi pembawa berkurang secara dramatis, dan ini mengarah ke arus foto yang lebih besar. Kami menerapkan rasio perovskit yang berbeda untuk meningkatkan kinerja perangkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4g. Rasio perovskit optimal untuk fotodetektor trilayer adalah 1:1.

Responsivitas (R ) dan deteksi (D ^* ) merupakan faktor penting untuk perangkat fotodetektor. Di mana responsivitas didefinisikan sebagai:

$$ R=\frac{I_p-{I}_d}{P_{in}} $$ (1)

Dimana Aku _p mewakili arus di bawah cahaya putih dan I _d mewakili arus dalam gelap. P _di mewakili daya cahaya insiden efektif pada wilayah efektif (wilayah saluran elektroda) [15]. Responsivitas (R ) dapat ditingkatkan dengan mengurangi panjang saluran elektroda, daya iluminasi P _di , dan dengan meningkatkan tegangan bias [30]. Menurut Persamaan. (1), responsivitas untuk perangkat fotodetektor tiga lapis adalah 0,13 A W⁻¹ dengan intensitas cahaya putih insiden 0,5 mW cm⁻² , sedangkan 0,03 A W⁻¹ responsivitas dihitung untuk perangkat fotodetektor satu lapis. Arus foto yang meningkat dan arus gelap yang ditekan adalah alasan peningkatan responsivitas perangkat fotodetektor tiga lapis. Gambar 5a menunjukkan responsivitas perangkat tunggal dan tiga lapis.

a Responsivitas dan (b ) deteksi perangkat tunggal dan tiga lapis pada tegangan yang diterapkan berbeda di bawah intensitas cahaya 0,5 mW cm⁻² . c Responsivitas spektral, d deteksi spektral, dan (e ) Spektrum EQE dari dua fotodetektor di bawah penerangan cahaya 10,6 μW cm⁻² dan bias 5 V

Detektif didefinisikan sebagai berikut:

$$ {D}^{\ast }=R\sqrt{\frac{S}{2q{I}_d}} $$ (2)

Dimana R adalah responsivitas perangkat fotodetektor, S adalah wilayah saluran efektif di bawah penerangan, dan q mewakili muatan elektronik (1,6 × 10⁻¹⁹ C) [16]. Deteksi merupakan parameter penting untuk menandakan sensitivitas cahaya dari sebuah fotodetektor. Deteksi yang lebih besar berarti sensitivitas yang lebih besar dalam mendeteksi sinyal cahaya. Gambar 5b menunjukkan deteksi perangkat tunggal dan tiga lapis.

Menurut Persamaan. (2), deteksi yang dihitung untuk perangkat trilayer adalah 1,51 × 10¹² Jones (intensitas cahaya 0,5 mW cm⁻² dan bias 5 V), sedangkan nilai 1,19 × 10¹¹ Jones dihitung untuk MAPbBr lapisan tunggal₃ perangkat. Perangkat trilayer menunjukkan deteksi yang tinggi dibandingkan dengan perangkat single-layer. D . yang sangat tinggi * dari perangkat trilayer karena arus gelapnya yang sangat rendah.

Gambar 5c, d menunjukkan responsivitas spektral dan deteksi fotodetektor satu dan tiga lapis pada 5 V dan di bawah penerangan cahaya 10,6 μW cm⁻² . Perangkat tiga lapis menunjukkan responsivitas tinggi 0,33 A W⁻¹ dan deteksi tinggi 4,46 × 10¹² Jones pada panjang gelombang 520 nm. Sedangkan untuk perangkat satu lapis, responsivitasnya adalah 0,14 A W⁻¹ dan deteksi adalah 1,9 × 10¹² Jones. Hal ini menunjukkan bahwa fotodetektor trilayer dapat mendeteksi sinyal cahaya yang sangat lemah. Spektrum efisiensi kuantum eksternal (EQE) dari kedua perangkat diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5e. EQE untuk perangkat satu lapis telah diukur hingga 30%, dan untuk perangkat tiga lapis hingga 80% pada bias 5 V. Kurva penyerapan (Gbr. 2b) juga memperkuat hasil spektrum EQE.

Signal to noise ratio (SNR) dan linear dynamic range (LDR) adalah dua parameter yang lebih penting untuk mengkarakterisasi fotodetektor, dijelaskan sebagai:

$$ \mathrm{SNR}=\frac{I_p-{I}_d}{I_d} $$ (3) $$ \mathrm{LDR}=20\mathit{\log}\frac{J_{\mathrm{light }}}{J_{\mathrm{dark}}} $$ (4)

Dimana J _ringan dan J _gelap adalah rapat arus foto dan arus gelap [24]. SNR dapat memberikan detail tentang tingkat sinyal yang diinginkan (arus foto) ke kebisingan latar belakang (arus gelap); kebisingan latar belakang kurang menonjol ketika nilai SNR tinggi. Rentang daya cahaya datang dapat diukur dengan LDR. Hal ini umumnya dilaporkan dalam desibel (dB). LDR dan SNR dari dua fotodetektor diukur di bawah tegangan yang diterapkan 5 V. SNR perangkat satu lapis adalah 69. Fotodetektor tiga lapis menggambarkan SNR yang jauh lebih besar yaitu 2700. LDR yang dihitung dari fotodetektor tiga lapis adalah 68,6 dB, sedangkan untuk fotodetektor satu lapis, LDR 36,9 dB. Peningkatan responsivitas, deteksi, LDR, dan SNR dengan jelas menunjukkan keunggulan fotodetektor tiga lapis dibandingkan fotodetektor satu lapis.

Pada Gambar. 6, karakteristik pengaktifan/penonaktifan dua fotodetektor diukur pada intensitas cahaya 0,5 mW cm⁻² dan bias diterapkan 5 V. Kedua fotodetektor menunjukkan pengulangan penyalaan hidup-mati yang sangat baik, ditunjukkan pada Gambar 6a, c. Satu siklus hidup-mati dari kedua perangkat ditunjukkan pada Gambar. 6b, d. Untuk perangkat satu lapis, arus naik dan mencapai nilai maksimumnya, dan kemudian menurun perlahan di bawah penerangan sampai lampu mati. Fenomena ini terjadi pada fotodetektor lapisan tunggal karena pembawa muatan yang dihasilkan foto bergabung kembali di lokasi emisi tingkat dalam, yang menyebabkan arus foto berkurang seiring berjalannya waktu. Sedangkan untuk fotodetektor perovskit trilayer, arus naik sangat cepat dan mencapai nilai maksimumnya, kemudian tetap stabil di bawah iluminasi sampai lampu mati. Fenomena ini terjadi karena situs emisi tingkat dalam tidak mempengaruhi begitu banyak pembawa muatan yang dihasilkan oleh foto [38]. Rasio nyala-mati yang dihitung adalah 70 untuk perangkat fotodetektor satu lapis, dan waktu naik/peluruhan yang diukur adalah 0,72/1,72 s. Sedangkan untuk perangkat trilayer, rasio on-off adalah 2700 dan waktu naik/meluruhnya adalah 0,49/1,17 s. Rise/decay time untuk perangkat fotodetektor tiga lapis lebih kecil dibandingkan perangkat fotodetektor satu lapis karena generasi elektron dan lubang yang lebih cepat dan fenomena rekombinasi. Waktu yang diperlukan untuk arus foto yang mencapai 90% dari nilai maksimumnya disebut waktu naik, dan waktu yang diperlukan untuk arus foto yang turun hingga 10% dari nilai maksimumnya disebut waktu peluruhan [17]. Dalam semikonduktor konvensional, nilai waktu naik dan waktu peluruhannya besar dan berasal dari perangkap yang berumur panjang. Pemisahan dan rekombinasi pembawa muatan di sekitar persimpangan adalah alasan untuk rasio on-off yang tinggi, peningkatan responsivitas, deteksi tinggi, dan LDR tinggi [3, 30]. Inilah alasannya karena waktu naik dan waktu peluruhan perangkat fotodetektor trilayer yang lebih pendek tercapai.

Karakteristik pengaktifan/penonaktifan a , b lapisan tunggal (MAPbBr₃ ) fotodetektor. c , d Fotodetektor tiga lapis (di bawah intensitas cahaya 0,5 mW cm⁻² dan bias diterapkan 5 V)

Terakhir, sampel ditempatkan di lingkungan sekitar dengan kelembaban relatif 30-40% untuk menyelidiki stabilitas lingkungan dari fotodetektor trilayer. Penyerapan dan XRD diukur untuk stabilitas masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, b. Tidak ada perubahan spesifik yang diamati dalam spektrum serapan setelah 30 hari. Pola XRD hampir sama setelah 30 hari. Puncak karakteristik ekstra karena lingkungan tidak diamati. Ini menunjukkan stabilitas tinggi film perovskit kami. Gelap dan arus foto (di bawah intensitas cahaya putih 0,5 mW cm⁻² ) tetap hampir sama setelah 30 hari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c. Perangkat fotodetektor tiga lapis menunjukkan arus foto yang hampir stabil, yang menunjukkan bahwa perangkat kami stabil dan tidak terlalu terpengaruh oleh lingkungan sekitar.

a Spektrum serapan yang terlihat. b spektrum XRD. c Aku –V kurva fotodetektor tiga lapis saat dibuat dan setelah 30 hari di lingkungan sekitar (di bawah intensitas cahaya putih 0,5 mW cm⁻² )

Performa keseluruhan dengan D * dari 1,51 × 10¹² Jones, rasio on-off 2700, waktu naik dan peluruhan 0,49/1,17 s, LDR 68,6 dB, dan EQE hingga 80% dicapai oleh perangkat trilayer, yang menunjukkan kinerja tinggi dari perangkat fotodetektor trilayer. Karena antarmuka yang sangat baik antara perovskit, EA, dan TiO alkohol₂ , kinerja yang sangat baik dari detektor diperoleh. Tabel 1 menunjukkan hasil fotodetektor perovskit halida logam saat ini.

Fotodetektor perovskit berdasarkan SnO₂ juga dibuat, dan karena rasio hidup-mati yang sangat rendah dan arus gelap yang tinggi, kinerja fotodetektor tidak memuaskan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a. Semua ini terjadi karena ketidakcocokan tingkat energi [47]. Kami juga menggunakan fenil-C61-butirat metil ester (PCBM) dan campuran PCBM:PMMA sebagai lapisan transpor elektron untuk membuat fotodetektor perovskit, tetapi kinerja perangkat ini jauh lebih buruk daripada SnO₂ -perangkat berbasis seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b, c masing-masing. Memilih lapisan transpor elektron (ETL) yang sesuai sangat penting untuk mencapai kinerja yang baik dari fotodetektor seperti yang terlihat jelas oleh eksperimen. Perangkat fotodetektor tiga lapis dengan elektroda Ag juga dibuat, tetapi kinerja perangkat ini tidak memuaskan karena arus gelap yang tinggi dan arus foto yang rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8d.

Aku –V kurva. a Perovskite/EA/SnO₂ perangkat. b Perangkat perovskite/EA/PCBM. c Perangkat perovskite/EA/PCBM:PMMA. d Perovskite/EA/TiO₂ perangkat dengan elektroda Ag

Metode/Eksperimental

Persiapan Bahan

PbBr₂ dan CH₃ NH₃ Br dibeli dari Xi'an Polymer Light Technology Corporation. DMF, DMSO, Ethanolamine, dan 2-Methoxyethanol dibeli dari Alfa Aesar, dan TiO₂ 10% larut dalam etanol (ukuran partikel 30 nm) dibeli dari Innochem. Semua bahan digunakan tanpa pemurnian tambahan. Slide kaca yang digunakan sebagai substrat diproduksi oleh SAIL BRAND.

TiO₂ dalam Alkohol

TiO₂ dicampur ke dalam etanol (perbandingan 1:16 volume) dengan berbagai konsentrasi. A 50 μL TiO₂ dilarutkan dalam 800 μL etanol dan diaduk selama 1 jam pada suhu kamar. Karena fenomena pemblokiran pembawa TiO kompak₂ , tidak dapat digunakan sebagai lapisan transpor elektron yang baik [48]. Sehingga, TiO₂ dicampur dalam alkohol digunakan sebagai ETL.

Etanolamine

Campuran EA dan 2-metoksietanol disintesis dengan menggunakan metode yang dilaporkan sebelumnya [49]. Rasio etanolamin 3% berat dicampur ke dalam 2-metoksietanol untuk menyiapkan campuran larutan.

Perovskit

Solusi 1 M dari CH₃ NH₃ PbBr₃ disiapkan dengan mereaksikan CH₃ NH₃ Br dan PbBr₂ pada 1:1 (berat) dalam campuran dimetilsulfoksida (DMSO) dan N ,T -dimetilformamida (DMF) dengan 1:4 (berdasarkan volume), kemudian dilakukan pengadukan pada suhu 70°C selama semalam.

Fabrikasi Perangkat

Substrat kaca dicuci dengan deterjen, air deionisasi, isopropil alkohol, dan pelarut aseton masing-masing selama 20 menit, lalu dikeringkan dengan N₂ udara, dan akhirnya dibersihkan oleh O₂ plasma selama 15 menit untuk menghilangkan partikel yang tertinggal di substrat. Pertama, substrat kaca dilapisi spin dengan TiO alkohol₂ pada kecepatan 4000 rpm selama 30 s di bawah lingkungan sekitar, lalu dianil pada 150 °C selama 30 mnt. Setelah itu, EA dalam 2-metoksietanol diendapkan pada TiO₂ film dengan kecepatan 3000 rpm selama 40 d di bawah lingkungan sekitar, lalu dianil pada 130 °C selama 10 mnt. Kemudian, elektroda Al (aluminium) dengan ketebalan 60 nm diendapkan pada film EA dengan penguapan termal. Lebar saluran topeng bayangan adalah 2000 μm dan panjang saluran topeng bayangan adalah 30 μm. Terakhir, MAPbBr₃ larutan spin dilapisi pada film EA dengan metode dua langkah untuk menyelesaikan proses fabrikasi. Pada tahap pertama, larutan dispin-coating dengan kecepatan 1000 rpm selama 10 detik, kemudian spin-coating dengan kecepatan 5000 rpm selama 30 detik. Selama langkah kedua, 50 μL toluena dijatuhkan pada substrat pemintalan pada 22 s sebelum pelapisan spin berakhir.

Karakterisasi

Keithley 4200 digunakan untuk mengukur karakterisasi listrik di bawah lingkungan sekitar pada suhu kamar. Iluminator cahaya dingin XZ-150WA digunakan sebagai sumber cahaya putih. Sebelum menggunakan cahaya putih, intensitas cahaya diukur dengan detektor monosilikon. Newport Oriel 200 digunakan sebagai sumber cahaya monokromatik. SEM (Hitachi S-4800) digunakan untuk mengkarakterisasi citra permukaan dan morfologi film. Spektrofotometer JASCO V-570 digunakan untuk merekam spektrum serapan. Sistem spektroskopi fotoelektron KRATOS AXIS ULTRA DLD dengan lampu pelepasan gas He I (21,22 eV) tanpa filter digunakan untuk merekam analisis UPS. Rifaku D/MAX-2004 XRD dengan Cu K radiasi ($ \lambda =1.54178\ \mathrm{\AA} $) digunakan untuk mempelajari identifikasi fase film, yang beroperasi pada 60 mA dan 40 kV.

Kesimpulan

Kesimpulannya, sebuah perovskite/EA/TiO₂ fotodetektor trilayer dirancang dan dibuat. Arus gelap berkurang secara signifikan dalam perangkat fotodetektor trilayer karena heterojungsi yang terbentuk. Film EA dan TiO beralkohol₂ film digunakan untuk membuat perovskite/EA/TiO₂ perangkat fotodetektor tiga lapis. Dalam jenis desain ini, cahaya menyerap dalam film perovskit, dan fotoelektron diangkut dalam TiO alkohol₂ film, dan EA bertanggung jawab untuk mengurangi ketidakcocokan penghalang energi dan meningkatkan ekstraksi fotoelektron. Ketika cahaya diterangi, pembawa muatan dipisahkan melalui heterojunction. Elektron ditransfer ke lapisan EA kemudian ditransfer dan diangkut ke TiO alkohol₂ , dan lubang tetap berada di lapisan perovskit. Akibatnya, rekombinasi pembawa muatan ditekan dan arus foto meningkat. Kinerja keseluruhan perangkat tiga lapis menunjukkan D * dari 1,51 × 10¹² Jones, rasio hidup-mati 2700, R dari 0,13 A B⁻¹ , waktu naik dan peluruhan 0,49/1,17 s, dan LDR 68,6 dB. MAPbBr₃ /EA/TiO₂ perangkat fotodetektor menunjukkan kinerja keseluruhan yang sangat tinggi dibandingkan dengan perangkat berbasis kristal tunggal dan perangkat berbasis material 2D. Stabilitas perangkat trilayer di lingkungan sekitar menunjukkan signifikansi tinggi dalam perangkat optoelektronika masa depan. Lapisan antarmuka yang dimodifikasi dan lapisan transpor elektron dapat secara signifikan menekan rekombinasi pembawa dan meningkatkan kinerja perangkat fotodetektor perovskit. Pendekatan ini dapat memainkan peran penting untuk meningkatkan kinerja perangkat dengan modifikasi heterojungsi.