Detektor Fotoperovskit Anorganik Respons Cepat dan Daya Sendiri dengan Stabilitas Unggul

Abstrak

Manuscript ini menyelidiki perovskit anorganik CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ sebagai bahan fotoaktif yang menawarkan stabilitas lebih tinggi dibandingkan perovskit trihalida logam organik. Metode pembuatan memungkinkan pengolahan anti-pelarut pada film CsPbI_xBr_3−x, mengatasi kualitas film yang buruk yang selalu terjadi dalam proses larutan satu langkah. Pengenalan eter dietil dalam proses spin-coating terbukti berhasil, dan pengaruh anti-pelarut terhadap kualitas film dikaji. Perangkat yang dibuat menggunakan metode ini mencapai performa tinggi, daya sendiri, dan detektor yang stabil menunjukkan respons cepat. Hasilnya menggambarkan potensi besar perovskit anorganik semua CsPbI_xBr_3−x dalam fotodeteksi cahaya visible dan memberikan cara efektif untuk mencapai perangkat berperforma tinggi dengan kemampuan daya sendiri.

Pendahuluan

Detektor foto (PD), yang dapat mengubah cahaya menjadi sinyal listrik, merupakan aplikasi penting dalam citra, komunikasi optik, dan pemantauan lingkungan. PD konvensional terutama dibuat dari Si, ZnO, SiC, dan HgCdTe, yang mahal atau memerlukan peralatan vacum untuk pembuatan [1,2,3,4]. Yang terpenting, perangkat komersial ini biasanya memerlukan proses pembuatan yang presisi dan kompleks yang menggabungkan litografi, penggerusan, dan deposisi, yang membatasi penerapan luas [5, 6]. Oleh karena itu, sangat menarik untuk mengembangkan bahan baru untuk detektor foto berperforma tinggi melalui metode pembuatan yang mudah.

Terakhir, perovskit trihalida logam organik (OTP) telah muncul sebagai kelas bahan optoelektronik yang menarik karena properti optoelektronik yang luar biasa, seperti penyerapan cahaya yang kuat, mobilitas pembawa muatan yang tinggi, energi ikatan eksiton yang rendah, dan tingkat rekombinasi muatan yang rendah [7,8,9,10,11,12]. Fitur-fitur ini menjadikan OTP sebagai kandidat bahan fotovoltaik yang menjanjikan untuk sel surya generasi berikutnya. Memang, sejak munculnya sel surya berbasis perovskit (PSC) pada 2009 [13], efisiensi konversi daya (PCE) bersertifikat PSC halida organik-anorganik telah meningkat pesat menjadi 25,2% [14]. Selain itu, OTP telah menunjukkan potensi besar dalam PD [15,16,17], dioda pemancar cahaya (LED) [18,19,20], dan laser [21,22,23,24]. Meskipun kemajuan berkelanjutan telah dicapai dalam meningkatkan efisiensi, beberapa perangkat optoelektronik berbasis OTP masih menghadapi hambatan masalah stabilitas [25, 26]. Akibat degradasi dan volatilisasi grup organik, seperti kation metilamonium (MA⁺) dan formamidinium (FA⁺), OTP menderita stabilitas jangka panjang yang tidak memuaskan [26]. Laporan sebelumnya menunjukkan bahwa perovskit anorganik semua (CsPbX₃, X = I, Br, Cl) dapat mengatasi masalah stabilitas mungkin karena stabilitas kimia intrinsik mereka [27,28,29]. Di antara perovskit anorganik semua ini, fase hitam CsPbI₃ telah menarik perhatian besar karena bandgap yang sesuai sebesar 1,73 eV. Sayangnya, hitam-CsPbI₃ hanya stabil pada suhu di atas 330 °C, yang tidak praktis untuk aplikasi [27]. Penggantian sebagian iodida dengan bromida dapat memstabilkan fase hitam perovskit anorganik semua pada suhu kamar tanpa mengorbankan bandgap optik terlalu banyak [30,31,32]. Terakhir, terlalu banyak penelitian pada sel surya perovskit CsPbI_xBr_3−x, sedangkan kurang laporan tentang PD berdasarkan film tipis CsPbI_xBr_3−x. Selain itu, PD konvensional umumnya memerlukan sumber daya eksternal untuk mendorong pembawa muatan yang dihasilkan cahaya ke arus fotolistrik. Untuk memenuhi kebutuhan perangkat optoelektronik generasi berikutnya yang bertujuan untuk mengurangi bobot, ukuran, dan ketebalan, mendesak untuk mengembangkan metode efektif untuk pembuatan PD dengan kemampuan daya sendiri.

Di sini, kami melaporkan detektor foto perovskit berperforma tinggi berdasarkan perovskit anorganik semua CsPbI_xBr_3−x yang diproses larutan. Pada tegangan operasi rendah sebesar 2 V, detektor menunjukkan sensitivitas broadband yang mencakup spektrum cahaya visible dan kecepatan respons cepat hingga 175 μs untuk PD CsPbI₂Br dan 230 μs untuk PD CsPbIBr₂. Detektivitas dan rasio on/off dihitung sebesar 10¹¹ Jones dan 10³, masing-masing. Bahkan dengan bias 0 V, kedua perangkat masih berfungsi dengan baik. Penelitian ini memberikan metode sederhana untuk membuat detektor foto berperforma tinggi pada cahaya visible dengan kemampuan daya sendiri.

Metode

Bahan

Iodida sesium (CsI, 99,9%), iodida timbal (PbI₂, 99,99%), bromida sesium (CsBr, 99,99%) dan bromida timbal (PbBr₂, 99,99%) dibeli dari Xi’an Polymer Light Technology Corporation. Dimetilformamida anhidra (DMF), dimetil sulfoksida (DMSO) dan eter dietil (DE) dibeli dari Sigma-Aldrich Corporation. Bahan dan pelarut digunakan langsung tanpa pemurnian.

Film perovskit anorganik semua dibuat dengan metode satu langkah menggunakan anti-pelarut. Pertama, untuk mendapatkan larutan precurssor CsPbI_xBr_3−x (x = 1, 2), PbI₂, CsI, CsBr dan PbBr₂ dalam ras stoikiometri dilarutkan dalam pelarut campuran DMF dan DMSO (9:1 v/v) pada konsentrasi 1,43 M dan diaduk selama lebih dari 2 jam. Semua prosedur harus dilakukan dalam kotak sarung tangan yang diisi nitrogen.

Persiapan

Substrat kaca yang dilapis ITO dibersihkan dengan aseton, alkohol etil dan air deionisasi dengan setiap langkah selama 15 menit dan dikeringkan dalam oven. Untuk membentuk film perovskit, precurssor di spin-coated pada substrat ITO yang sudah dibersihkan dengan kecepatan 2000 rpm selama 60 detik, dan 500-μL anti-pelarut eter dietil (DE, Sigma, 99,9%) ditetapkan pada 20 detik terakhir dari proses pelapisan. Kemudian, film perovskit dianil pada 65 °C selama 5 menit dan 135 °C selama 15 menit. Untuk membandingkan kualitas film yang ditingkatkan oleh anti-pelarut DE, eksperimen referensi tanpa anti-pelarut juga dilakukan. Terakhir, elektroda Au interdigitado dengan ketebalan 80 nm diavaporkan termal pada film perovskit melalui masker.

Pengukuran dan Karakterisasi

Morfologi film yang disiapkan diselidiki dengan mikroskop elektron skan emissi lapangan (FE-SEM). Fase dan kristal perovskit anorganik yang disintesis dicatat dengan pola difraksi sinar-X (XRD) menggunakan difraktometer sinar-X (radiasi Cu Kα, λ = 1,54056 Å). Spektra UV–Vis absorpsi dan PL dilakukan menggunakan spektrofotometer UV–Vis (Shimadzu UV-3101 PC) dan spektrometro fluoresensi Hitachi F-4600 (Edinburgh, FLSP920) dengan panjang gelombang eksitasi 410 nm, masing-masing. Kurva arus–tegangan (I–V) dicatat dengan Keithley 4200 Semiconductor Parametric Analyzer di bawah pencahayaan sumber cahaya LD (520 nm). Intensitas cahaya insiden diukur dengan meter daya komersial tipe Thorlabs PM 100D. Arus foto dan kecepatan respons diukur dengan osiloskop (Agilent DOS5012A) dan pemotong optik yang memodulasi cahaya yang menerangi perangkat. Semua pengukuran dilakukan di atmosfer udara pada suhu kamar.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan gambar SEM tampak atas film tipis CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ dengan atau tanpa perawatan DE. Jelas, film perovskit CsPbI_xBr_3−x asli tidak kontinu dan menunjukkan lubang rongga besar. Setelah perawatan DE, kualitas film CsPbI_xBr_3−x ditingkatkan secara signifikan dengan penutupan dan kepadatan yang lebih tinggi. Untuk menyelidiki struktur kristal dan kemurnian fase film perovskit anorganik lebih lanjut, pola XRD dicatat seperti ditampilkan pada Gambar 2a. Untuk pola film CsPbI₂Br (seperti ditunjukkan pada Gambar 2b), puncak utama pada 14,6° dan 29,6° ditetapkan pada bidang kristalografi (100) dan (200) struktur perovskit kubik CsPbI₂Br, masing-masing. Untuk kasus film CsPbIBr₂, tiga puncak yang berpusat pada 14,9°, 21,08° dan 29,96° terkait dengan bidang (100), (110) dan (220) fase ortombik perovskit CsPbIBr₂, masing-masing. Selain itu, rasio puncak difraksi (P) 14,6° dan 29,6° dihitung sebesar 1,10 dan 1,12 untuk CsPbI₂Br setelah perawatan DE, masing-masing. Ini menunjukkan bahwa film perovskit CsPbI₂Br tumbuh secara prioritas dengan aspek (200) pada perawatan DE. Sementara itu, untuk kasus film perovskit CsPbIBr₂ setelah perawatan DE, rasio puncak difraksi (P) 14,9° dan 29,96° dihitung sebesar 5 dan 12, masing-masing, yang menunjukkan bahwa film perovskit CsPbIBr₂ tumbuh secara prioritas dengan aspek (200) pada perawatan DE. Keduanya hasil XRD menunjukkan bahwa perawatan DE dapat meningkatkan kualitas kristal dan kemurnian fase film CsPbI_xBr_3−x secara jelas.

Detektor Fotoperovskit Anorganik Respons Cepat dan Daya Sendiri dengan Stabilitas Unggul

Selanjutnya, properti optik film CsPbI_xBr_3−x dengan atau tanpa perawatan DE diukur dengan absorpsi UV–Vis dan spektrum PL. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2c, kedua sampel CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ menunjukkan penyerapan yang ditingkatkan setelah perawatan DE. Spektra penyerapan menunjukkan bahwa film CsPbI_xBr_3−x ini dapat digunakan secara efektif sebagai lapisan aktif untuk fotodeteksi cahaya visible. Gambar 2d adalah spektrum PL film CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ yang ditetapkan pada substrat kaca. Puncak PL film CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ terletak pada 655 nm dan 603 nm, masing-masing, yang sesuai dengan laporan sebelumnya [31]. Untuk kasus yang diperlakukan dengan DE, intensitas PL meningkat secara signifikan dibandingkan dengan film perovskit yang tidak diperlakukan. Peningkatan intensitas PL terkait dengan penurunan kepadatan jebakan yang akan memfasilitasi pembawa muatan dalam kondisi terang merekombinasi ke kondisi dasar secara radiatif. Hasilnya menunjukkan bahwa pengenalan anti-pelarut DE adalah cara efektif untuk mencapai kualitas film yang lebih baik dan pengurangan kepadatan jebakan dalam film perovskit anorganik semua. Oleh karena itu, kami menggunakan film perovskit yang dimodifikasi sebagai lapisan fotoaktif untuk membuat detektor foto perovskit anorganik semua CsPbI_xBr_3−x dengan struktur seperti ditunjukkan pada Gambar 3a.

Gambar 3b menunjukkan kurva I–V perangkat dalam gelap dan di bawah pencahayaan cahaya 520 nm. Di bawah pencahayaan sumber cahaya 520 nm, arus foto meningkat secara besar karena kontribusi besar dari pembawa muatan yang dihasilkan cahaya. Jelas, kurva arus foto dua PD yang berbeda menunjukkan perilaku rettifikasi, yang menunjukkan bahwa ada hambatan juncdi antara ITO dan film perovskit. Hambatan juncdi ini dapat disebabkan oleh kontak Schottky yang terbentuk pada antarmuka ITO/CsPbI₂Br atau ITO/CsPbIBr₂ dan status permukaan, seperti cacat permukaan, rongga dan penyerapan [33]. Fenomena ini selalu ada dalam detektor foto perovskit yang dilaporkan sebelumnya [34,35,36]. Saat perangkat di bias pada 0,1 V, detektor berbasis perovskit CsPbI₂Br menunjukkan arus gelap sekitar 2 nA. Setelah terekspos pada sumber cahaya dioda laser (LD) 520 nm dengan intensitas pencahayaan 3,5 mW/cm², arus foto meningkat ke μA, mencapai rasio on/off yang lebih besar dari 10³. Untuk kasus detektor foto CsPbIBr₂ dengan bias 0,1 V, arus gelap adalah 2,45 nA, yang menghasilkan rasio on/off sebesar 10³ juga. Saat sumber cahaya dinyalakan dan dimatikan, kedua perangkat menunjukkan respons cepat dalam kurva arus–waktu (I–t) pada bias nol, seperti ditampilkan pada Gambar 3c, d. Selain itu, dari Gambar 2b, nilai tegangan sirkuit terbuka detektor foto CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ adalah − 0,74 dan − 0,68 V, masing-masing. Saat cahaya menyala, arus foto meningkat tajam dan kemudian menurun cepat saat cahaya dimatikan. Perlu dicatat bahwa kurva I–t diukur dengan mengontrol sumber cahaya LD untuk mencapai siklus on/off. Hasilnya lebih lanjut menggambarkan bahwa detektor foto perovskit CsPbI_xBr_3−x menunjukkan perilaku penyalin cahaya yang baik dan respons arus foto yang dapat direproduksi terhadap cahaya on/off periodik. Selain itu, kurva I–t cocok dengan kurva I–V, yang lebih lanjut menunjukkan bahwa perangkat memiliki kecepatan respons cepat dan properti penundaan rendah. Sebagai parameter kritis untuk mengevaluasi detektor foto komersial, responsivitas (R) dan detektivitas spesifik (D) dianalisis. Saat arus gelap diasumsikan didominasi oleh derau tembak, D dapat dihitung dengan persamaan berikut

$$D* = \frac{{J_{{{\text{ph}}}} }}{{L_{{{\text{light}}}} }}\frac{1}{{(2qJ_{{\text{d}}} )^{{{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$2$}}}} }} = \frac{R}{{(2qJ_{{\text{d}}} )^{{{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$2$}}}} }}$$

di mana $J_{{\text{d}}}$ adalah arus gelap, $J_{{{\text{ph}}}}$ adalah arus foto, $L_{{{\text{light}}}}$ adalah intensitas cahaya insiden. R berarti arus foto yang dihasilkan per satuan intensitas cahaya insiden, yang mencerminkan efisiensi detektor merespons sinyal cahaya insiden.

Gambar 4a, b menunjukkan nilai detektivitas dan responsivitas detektor foto perovskit CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ yang diukur pada daya cahaya insiden berbeda. Untuk perangkat CsPbI₂Br, di bawah pencahayaan lemah (3,5 mW/cm²) dan kuat (6 mW/cm²), D^* dihitung sebesar 4,9 × 10¹¹ dan 3,2 × 10¹¹ Jones (${\text{Jones}} = {\text{cm}} \times {\text{Hz}}^{\frac{1}{2}} \times {\text{W}}^{ - 1}$), masing-masing. Untuk kasus detektor foto CsPbIBr₂, D^* di bawah pencahayaan cahaya lemah dan kuat sekitar 2,3 × 10¹¹ dan 1,3 × 10¹¹ Jones, masing-masing. Nilai D^* dan R yang dihitung menurun secara linier dengan peningkatan intensitas cahaya insiden. Di bawah pencahayaan kuat (6 mW/cm²), detektor CsPbI₂Br dan CsPbIBr₂ menunjukkan nilai R sebesar 8 dan 4,6 mA/W, masing-masing. Di bawah pencahayaan lemah (3,5 mW/cm²), kedua PD di atas menunjukkan performa baik dengan R sebesar 12 dan 8 mA/W, masing-masing. Detektivitas tinggi berarti sinyal cahaya lemah juga dapat terdeteksi dan ditransfer menjadi arus foto besar. Ini disebabkan oleh kualitas film perovskit anorganik semua yang ditingkatkan melalui perawatan DE.

Selanjutnya, kecepatan respons adalah ukuran standar untuk detektor foto untuk mengkarakterisasi perangkat. Kami mendefinisikan waktu naik sebagai waktu yang dibutuhkan untuk naik dari 10 hingga 90% arus foto maksimum, dan sebaliknya berarti waktu turun. Untuk mendapatkan kecepatan respons terperinci, osiloskop digunakan untuk mengontrol dan mencatat respons temporer. Seperti ditampilkan pada Gambar 5a, b, waktu naik dan waktu turun untuk perangkat CsPbI₂Br diekstraksi sebesar 175 dan 180 μs, masing-masing. Sementara itu, waktu naik dan waktu turun untuk CsPbIBr₂ adalah 320 dan 230 μs, masing-masing. Waktu respons yang cepat berarti kurang banyak status jebakan elektronik yang ada pada antarmuka perovskit/logam, yang dapat mempengaruhi transportasi dan koleksi muatan.

Kesimpulan

Secara singkat, kami melaporkan pembuatan yang mudah detektor foto anorganik semua CsPbI_xBr_3−x daya sendiri dengan kecepatan respons cepat. Di bawah pencahayaan laser 520 nm dengan 3,5 mW/cm², perangkat CsPbI₂Br menunjukkan responsivitas hingga 12 mA/W, nilai detektivitas 10¹¹ Jones dan rasio on/off lebih besar dari 10³. Dan perangkat CsPbIBr₂ menunjukkan nilai responsivitas 8 mA/W dan detektivitas hingga 10¹¹ Jones. Perangkat dapat bekerja dengan baik bahkan pada bias nol. Penelitian ini menginspirasi pengembangan perovskit anorganik semua untuk detektor foto berdaya sendiri, diproses larutan, dan berperforma tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi saat ini diperoleh dari penulis yang bersangkutan atas permintaan yang wajar.

Singkatan

PDs:: Detektor Foto
OTPs:: Perovskit Trihalida Logam Organik
DE:: Eter Dietil
DMF:: Dimetilformamida
DMSO:: Dimetil Sulfoksida
SEM:: Mikroskop Elektron Skan
UV–Vis:: Ultraviolet–visible
XRD:: Difraksi Sinar-X

Realisasi Fase Skyrion dalam Tipis MnSi yang Ditumbuhi pada Safir melalui Sputtering Konvensional Pengaturan Transportasi Bergantung Spin pada Nanopita γ-Grafyne dengan Tegangan: Studi DFT Juntion Elektroda Emas

bahan nano