Detektor Foto Fleksibel Perovskite Anorganik yang Diproses dengan Solusi dengan Kinerja Tinggi
Abstrak
Semua CsPbI anorganik3-x Sdrx perovskit telah banyak digunakan dalam fotodetektor karena sifat optoelektroniknya yang sangat baik dan proses preparasi yang sederhana. Di sini, fotodetektor fleksibel berperforma tinggi berdasarkan CsPbI anorganik3-x Sdrx perovskit ditunjukkan, yang dicapai dengan metode pemrosesan solusi yang dimodifikasi. Saat dibias pada tegangan rendah 10 mV, perangkat menghasilkan kecepatan respons yang cepat (90 μs /110 μs untuk CsPbI2 PD Br dan 100 μs/140 s untuk CsPbIBr2 PD), rasio hidup/mati yang tinggi sebesar 10
4
, dan deteksi tinggi sekitar 10
12
Jones. Sementara itu, perangkat menunjukkan stabilitas lingkungan dan fleksibilitas mekanis yang luar biasa. Kurva I-t periodik memiliki fluktuasi yang dapat diabaikan (< 5%) setelah disimpan di atmosfer udara selama 30 hari atau ditekuk selama 100 kali. Hasilnya menunjukkan bahwa CsPbI3-x Sdrx perovskit memiliki potensi besar di area deteksi foto dan membuka jalan untuk mencapai PD fleksibel berkinerja tinggi.
Pengantar
Dalam beberapa dekade terakhir, berbagai bahan semikonduktor anorganik telah menarik sebagian besar perhatian penelitian fotodetektor, seperti InGaAs, GaN, ZnO, dan Si [1,2,3,4,5,6]. Diuntungkan oleh sifat optik dan listriknya yang sangat baik, perangkat berdasarkan bahan ini menunjukkan deteksi tinggi dan respons cepat untuk cahaya tampak. Namun, bahan tersebut biasanya diperoleh dengan pendekatan yang sangat kompleks atau menggunakan peralatan mahal [7,8,9], yang merupakan hambatan dalam perjalanan ke aplikasi komersial mereka. Oleh karena itu, mencari bahan pengganti yang lebih menjanjikan untuk mengurangi biaya, dan menyederhanakan proses persiapan sangatlah penting.
Baru-baru ini, bahan hybrid halide perovskites (HHPs) telah menjadi salah satu hot spot penelitian di bidang perangkat fotovoltaik [10,11,12,13,14,15]. Dalam dekade terakhir, efisiensi konversi daya sel surya perovskite telah meningkat dari 3,8% menjadi melebihi 23% [16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27], karena untuk sifat optoelektronik yang luar biasa, seperti manfaat dari celah pita yang optimal, koefisien penyerapan yang tinggi, dan kemampuan transportasi pembawa ambipolar yang unggul [28,29,30,31]. Selain itu, proses preparasi larutan yang murah dan sederhana juga menjadikan perovskit memiliki potensi besar dalam penelitian fotodetektor. Namun, meskipun perangkat fotovoltaik berdasarkan HHP telah membuat kemajuan yang cepat dan mengesankan, mereka masih mengalami stabilitas yang buruk [32, 33]. Dibandingkan dengan HHP, cesium lead halide perovskites (IHPs) anorganik menunjukkan stabilitas yang lebih baik di udara, menunjukkan bahwa IHP adalah kandidat ideal untuk fotodetektor [34, 35]. Meskipun, CsPbI3 tidak stabil pada suhu tinggi (di atas 300 °C), yang dapat diperbaiki dengan mengganti Br
−
bagian untuk saya
−
[36,37,38,39,40,41]. Oleh karena itu, CsPbI3-x Sdrx sangat cocok untuk merancang fotodetektor performa tinggi.
Dalam pekerjaan ini, kami menyiapkan CsPbI3-x Sdrx (x = 1, 2) film untuk fotodetektor perovskit fleksibel (PD). PD perovskite fleksibel berdasarkan CsPbI3-x Sdrx menunjukkan kecepatan respons yang cepat (90 μs/110 s untuk CsPbI2 PD Br dan 100 μs/140 s untuk CsPbIBr2 PD), rasio hidup/mati yang tinggi (10
4
), dan deteksi tinggi (10
12
Jones) di bawah lampu 520 nm dengan bias 10 mV. Sementara itu, ia menunjukkan fleksibilitas mekanik yang luar biasa dan stabilitas lingkungan. Setelah menyimpan perangkat selama 30 hari di udara sekitar pada kelembaban relatif 35–45%, kurva I-t periodik perangkat hanya sedikit menurun (~ 3%). Selain itu, setelah menekuk PD fleksibel sebanyak 100 kali di bawah radius tekukan 9,12 mm, kurva I-t periodik perangkat menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan (penurunan < 3%). Hasilnya menunjukkan potensi CsPbI3-x Sdrx perovskit untuk PD yang fleksibel.
Metode
Materi
Timbal iodida (PbI2 , 99,99%), timbal bromida (PbBr2 , 99,99%), barium iodida (CsI, 99,99%), dan barium bromida (CsBr, 99,99%) dibeli dari Xi'an Polymer Light Technology Corporation. Dietil eter (DEE), aseton, etanol absolut, N ,T -dimethylformamide (DMF), dan dimethylsulfoxide (DMSO) disediakan oleh Sigma-Aldrich.
Solusi perovskit disiapkan sebagai berikut. CsPbI2 Larutan prekursor perovskit Br dibuat dengan mencampurkan 1 M (mol L
−1
) CsBr, 1 M PbBr2 , 2 M CsI, dan 2 M PbI2 dalam pelarut anhidrat campuran DMSO dan DMF (volume 9:1). CsPbIBr2 larutan prekursor perovskit dibuat dengan mencampurkan 2 M CsBr, 2 M PbBr2 , 1 M CsI, dan 1 M PbI2 dalam pelarut anhidrat campuran DMSO dan DMF (volume 9:1). Kemudian, larutan perovskit campuran diaduk pada suhu 75 °C lebih dari 2 jam. Semua larutan harus disiapkan dalam glovebox nitrogen.
Persiapan
Substrat fleksibel [polimida (PI)] dibersihkan secara berurutan dengan aseton, etanol absolut, dan air deionisasi masing-masing selama 15 menit. Kemudian substrat dikeringkan dalam oven. Selanjutnya, elektroda emas interdigitasi (80 nm) diuapkan ke substrat fleksibel dengan penguapan termal. Sebelum digunakan, substrat berpola diperlakukan dengan UV-ozon selama 20 menit. Kemudian substrat fleksibel dipindahkan ke glovebox untuk deposisi film perovskit. CsPbI3-x Sdrx film disiapkan menggunakan metode spin-coating satu langkah anti-pelarut (DEE). Larutan prekursor delapan puluh mikroliter dispin-coating pada kecepatan 2000 rpm selama 60 detik. Kemudian, 0,5 mL dietil eter dituangkan pada sampel pada 10 detik sebelum akhir proses spinning-coating. Kemudian, sampel dianil pada suhu 65 °C selama 5 menit dan 135 °C selama 15 menit.
Pengukuran dan Karakterisasi
Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) diperoleh dengan menggunakan SEM emisi medan (FEI-INSPECT F50, Holland). Difraksi sinar-X (XRD) dilakukan menggunakan sistem Bede D1 dengan radiasi Cu Kα. Spektrum serapan ultraviolet-tampak (UV-vis) diukur dengan spektrofotometer UV-vis (Schimadzu UV-3101 PC). Arus–tegangan (I-V ) kurva dilakukan oleh penganalisis parametrik semikonduktor Keithley 2636 di bawah penerangan sumber cahaya LD. Arus foto diukur dengan osiloskop (Agilent DOS5012A) dan perajang optik yang memodulasi cahaya yang menyala pada perangkat. Semua pengukuran dilakukan dalam kondisi sekitar pada suhu kamar.
Hasil dan Diskusi
Anti-pelarut, yang sering digunakan dalam pembuatan film perovskit untuk mendapatkan morfologi permukaan berkualitas tinggi. Disini, kami menggunakan metode spin-coating satu langkah dengan anti-solvent (DEE) untuk memperbaiki morfologi CsPbI3-x Sdrx film. Gambar 1 menunjukkan gambar SEM tampilan rencana dari CsPbI3-x Sdrx film dengan atau tanpa perlakuan DEE. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, b, CsPbI2 Br dan CsPbIBr2 film tanpa perlakuan DEE memiliki lubang kecil yang sangat besar dan ukuran butir kristal yang kecil. Sebaliknya, setelah perlakuan DEE dalam pembuatan perovskit, film kontinu dan butiran yang lebih besar diamati pada gambar SEM (Gbr. 1c, d). Hasil citra SEM menunjukkan bahwa morfologi CsPbI3-x Sdrx film secara signifikan ditingkatkan dengan pengobatan DEE. Oleh karena itu, dalam pekerjaan selanjutnya, proses perlakuan anti-pelarut diadopsi untuk menyiapkan CsPbI3-x Sdrx film.
Gambar SEM dari CsPbI3-x Sdrx film. a CsPbI2 Sdr, b CsPbIBr2 tanpa perlakuan DEE dan c CsPbI2 Sdr, d CsPbIBr2 dengan pengobatan DEE
Untuk memeriksa struktur kristal CsPbI yang disiapkan3-x Sdrx film, pola XRD dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, garis merah dan biru menunjukkan pola XRD dari CsPbIBr2 film dan CsPbI2 Br, masing-masing. Terlihat jelas pada garis merah, puncak-puncak utama terletak pada 14,75°, 20,94°, 29,96°, dan 34,93°, yang ditetapkan pada (100), (110), (200), dan (210) fakta CsPbIBr2 , masing-masing [41,42,43]. Pada garis biru, kami mencatat dua puncak utama yang berpusat pada 14,44° dan 20,3° sesuai dengan bidang (100) dan (200) CsPbI murni2 Br fase [44, 45]. Selain itu, untuk menyatakan bahwa CsPbIBr2 dan CsPbI2 Film Br berhasil disiapkan, kurva penyerapan UV-vis dan plot Tauc diukur (Gbr. 2b-d). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, pergeseran biru kecil terlihat pada spektrum absorpsi CsPbIBr2 film dibandingkan dengan CsPbI2 Film Br, yang dikaitkan dengan perbedaan celah pita antara CsPbI2 Br dan CsPbIBr2 . Untuk menjelajahi celah pita optik CsPbI3-x Sdrx film, kami menghitung pita energi (Misalnya) menurut refleksi dan transmisi melalui plot Tauc, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, d. Dari plot Tauc diamati bahwa Misal CsPbI2 Br dan CsPbIBr2 masing-masing adalah 1,91 eV dan 2,05 eV, yang konsisten dengan laporan sebelumnya [46,47,48,49,50]. Hasilnya menunjukkan CsPbI3-x Sdrx film berhasil dibuat.
a pola XRD. b Penyerapan CsPbI3-x Sdrx film. Celah pita c CsPbI2 Sdr dan d CsPbIBr2
Setelah mengonfirmasi properti dari CsPbI yang dirawat3-x Sdrx film, kami menyiapkan PD fleksibel berdasarkan CsPbI3-x Sdrx film. Pada Gambar. 3a, PD fleksibel dengan struktur perangkat elektroda interdigitasi PI/Au/CsPbI3-x Sdrx ditampilkan. Ketika diiradiasi pada lapisan perovskit di bawah tegangan bias, transportasi pembawa muatan terbentuk dalam PD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Akhirnya, elektron (lubang) dikumpulkan oleh elektroda dan diedarkan melalui sirkuit eksternal untuk menghasilkan arus foto. Untuk mengkarakterisasi kinerja CsPbI3-x Sdrx PD, kami mengukur arus foto di bawah sumber LD 520 nm pada tegangan bias rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus foto maksimum CsPbI2 Br PD dan CsPbIBr2 PD melebihi 180 μA dan 120 μA di bawah intensitas iluminasi 8,23 mW/cm
2
, masing-masing. Yang penting, arus foto perangkat diukur pada tegangan bias 10 mV. Untuk mengevaluasi kecepatan respons perangkat, kami menyelidiki arus foto transien perangkat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d, waktu naik dan turun CsPbI2 Br PD diekstraksi menjadi sekitar 90 s dan 110 s, masing-masing. Waktu naik dan turunnya CsPbIBr2 PD ditemukan masing-masing sekitar 100 s dan 140 s. Dibandingkan dengan perangkat struktural yang sama yang dilaporkan sebelumnya [12], hasilnya menunjukkan bahwa perangkat berdasarkan CsPbI yang diolah DEE3-x Sdrx lapisan perovskite menunjukkan kinerja yang sangat baik.
a Struktur perangkat CsPbI3-x Sdrx PD fleksibel. b Diagram skema transportasi pembawa muatan di perangkat di bawah penerangan. Kurva I–t dari c CsPbI2 Br PD dan d CsPbIBr2 PD pada cahaya 520 nm pada bias 10 mV. Waktu naik (ton) dan waktu turun (toff) e CsPbI2 Br PD dan f CsPbIBr2 PD, masing-masing
Untuk menyelidiki lebih lanjut karakteristik fotolistrik PD, arus gelap dan arus foto, responsivitas, dan deteksi diukur dan diplot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, b, kurva arus gelap dan arus foto memiliki perkiraan simetri ketika tegangan diubah dari 5 menjadi 5 V. Hasil ini menunjukkan pembentukan kontak ohmik antara logam dan lapisan perovskit. Karena penghalang kontak yang sangat rendah untuk kontak ohmik, pembawa dapat dengan mudah ditransfer di bawah bias rendah. Pada tegangan bias rendah, CsPbI3-x Sdrx PD fleksibel memiliki rasio hidup/mati yang tinggi sekitar 10
4
. Responsivitas (R ) dan deteksi (D *) dari PD ditunjukkan pada Gambar. 4c, d. Gambar tersebut menggambarkan bahwa R dan D * memiliki nilai tinggi di bawah cahaya lemah pada bias rendah, terutama di bawah 1 mW, bersama dengan D tinggi * dari 10
12
Jones@10 mV bias. Zhang dkk. melaporkan CsPbBr3 PD fleksibel berbasis D * dari 10
10
Jones di bawah bias 2 V [12]. Ding dkk. melaporkan PD kaku berdasarkan CsPbBr3 kristal tunggal dengan D * dari 10
11
Jones [51]. Oleh karena itu, CsPbI3-x Sdrx PD fleksibel berbasis - yang bekerja di bawah tegangan bias rendah menunjukkan kinerja yang luar biasa.
Kurva (I-V) dari a CsPbI2 Br PD dan b CsPbIBr2 PD untuk arus foto (520 nm LD) dan arus gelap. Responsivitas dan deteksi (ilustrasi) c CsPbI2 Br PD dan d CsPbIBr2 PD (520 nm LD) di bawah tegangan 10 mV
Stabilitas lingkungan dan fleksibilitas mekanik adalah dua faktor penting yang mempengaruhi aplikasi praktis fotodetektor berbasis perovskit. Seperti yang dijelaskan pada Gambar. 5, stabilitas lingkungan dan fleksibilitas mekanis PD diuji dengan mengukur perubahan kurva I-t periodik perangkat. Terlihat jelas bahwa kurva I-t perangkat sedikit berubah (~ 3% penurunan untuk CsPbI2 Br PD dan ~ 3% penurunan untuk CsPbIBr2 PD). Perubahan arus perangkat dapat diabaikan setelah terpapar selama 30 hari dalam kondisi sekitar dengan kelembaban relatif 35-45% (Gbr. 5a, b). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5c, d, dibandingkan dengan kurva I-t periodik awal, osilasi yang dapat diabaikan diamati (penurunan ~ 2% untuk CsPbI2 Br PD dan ~ 3% penurunan untuk CsPbIBr2 PD) setelah menekuk perangkat seratus kali di bawah radius tekukan 9,12 mm. Hasilnya menunjukkan bahwa perangkat kami memiliki stabilitas yang baik serta fleksibilitas mekanis yang baik.
Perbandingan kurva I-t yang dapat direproduksi dari a CsPbI2 Br PD dan b CsPbIBr2 PD disimpan di udara selama 30 hari. Perbandingan kurva I-t yang dapat direproduksi dari c CsPbI2 Br PD dan d CsPbIBr2 PD membungkuk 100 kali
Kesimpulan
Singkatnya, kami menyajikan fotodetektor fleksibel berdasarkan CsPbI3-x Sdrx (x = 1, 2) film yang diperlakukan dengan DEE dalam karya ini. Perangkat menunjukkan kinerja yang sangat baik, yang sebanding dengan perangkat konfigurasi yang sama. Pada bias 10 mV, fotodetektor menunjukkan rasio hidup/mati yang tinggi sebesar 10
4
di bawah pencahayaan 520 nm, kecepatan respons cepat (90 μs/110 s untuk CsPbI2 PD Br dan 100 μs/140 s untuk CsPbIBr2 PD), dan deteksi yang sangat baik (10
12
jones). Selanjutnya, PD fleksibel menunjukkan stabilitas lingkungan dan fleksibilitas mekanis yang luar biasa. Setelah menyimpan perangkat selama 30 hari di udara dengan kelembaban relatif 35–45%, kurva I-t perangkat hanya sedikit menurun (~ 3%). Selain itu, kinerja PD menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan setelah menekuk PD fleksibel seratus kali dengan radius tikungan 9,12 mm. Karya ini menunjukkan potensi besar CsPbI3-x Sdrx perovskit dalam deteksi fotoelektron dan memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk mencapai kinerja tinggi.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini diperoleh dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
