反溶剂-热压法生长MAPbI3和FA0.2MA0.8PbI3类单晶薄膜及其光电探测器性能研究

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有机-无机复合钙钛矿半导体材料因为具有与传统无机半导体材料相媲美的优良性能,包括光吸收系数大、带隙可调、激子结合能小和载流子扩散长度长等,已经在薄膜光电功能器件中得到了广泛应用。在这些薄膜器件中,半导体薄膜的结晶质量是影响器件性能的关键因素之一。制备晶粒尺寸大、结晶度高、缺陷密度低和表面覆盖率高的高质量有机-无机复合钙钛矿薄膜是改善光电功能器件性能的关键。为了实现这个目标,本文提出反溶剂-热压法,在传统反溶剂法的基础上,通过高压驱动离子扩散(HPID)工程,利用压力驱动薄膜中的晶界融合和晶粒二次生长,获得了高质量的MAPbI3和FA0.2MA0.8PbI3类单晶薄膜,并以高质量的钙钛矿薄膜研制光电探测器件。论文主要研究内容包括:(1)用传统反溶剂法制备了均匀致密的MAPbI3前驱体多晶薄膜,然后在高等静压作用下对多晶薄膜进行热处理。通过系统优化热压处理条件:温度、压力、时间以及升降温速度等参数,确定最佳处理条件(150℃、150 MPa),实现薄膜的有效生长,得到了晶粒尺寸增大、长载流子寿命、缺陷密度低和环境稳定性提高、高表面覆盖率且垂直衬底方向实现单晶贯穿的MAPbI3类单晶薄膜。以MAPbI3类单晶薄膜作活性层研制的光电探测器的光电性能均得到了提高,响应度为282.9 mA W-1(671 nm,3.4×10-3 mW cm-2),探测率为8.6× 1013 Jones(671 nm,3.4×10-3 mW cm-2),开关比高达3×105(671 nm,100 mW)。(2)基于反溶剂-热压法发展“温和”高压驱动离子扩散(HPID)工程(100℃、75 MPa)。在SnO2/ITO基底制备了由大尺寸晶粒组成的具有低缺陷密度、长载流子寿命和高稳定性的单轴定向FA0.2MA0.8PbI3薄膜,同时实现了类单晶表面和垂直方向单晶贯穿,显著促进了载流子的输运和分离,器件性能得到显著提高。基于Perov-HPID75薄膜的SPPD表现出高响应度和良好的环境稳定性。671 nm激光照射,偏压为0V,激光功率为3.4×10-3 mW cm-2时,响应度达到512 mA W-1,探测率为3.4×1012Jones。即使Perov-HPID75薄膜的厚度低于200 nm或高于1 μm,也获得了高达185 mA W-1的响应度。无任何封装的情况下,在湿度为20%~30%的环境放置15天,光电流仅下降7.5%。
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