高质量CsPbI3-xBrx薄膜的制备及其光电性能研究

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具有优异光电性能的有机-无机复合钙钛矿在光电探测器、太阳能电池、激光等领域得到了广泛应用。同时,全无机钙钛矿因具有相近的光电性能以及更高的稳定性而引起了人们的关注。在光电功能器件中,钙钛矿薄膜的质量是决定器件性能的关键,因此制备晶粒尺寸大、结晶性高、缺陷密度低的高质量薄膜具有重要意义。本文以全无机混卤钙钛矿CsPbI3-xBrx为研究对象,通过提出新的压力辅助离子扩散方法,制备了高质量的CsPbI3-xBrx准单晶薄膜,并研制了具有优良光电性能的光电探测器。论文的主要研究结果如下:(1)两步法制备CsPbI3-xBrx薄膜及其相变性质研究我们首先用两步旋涂退火(CA)方法制备了 CsPbI3-xBrx薄膜,并对其结构、形貌以及光学性能进行了测试分析,发现用CA方法制备的薄膜晶粒粒度小、表面粗糙、结晶性低,用这种薄膜制备的光电探测器性能很差;为了考察薄膜中钙钛矿相的稳定性,我们首次研究了 CsPbI3-xBrx薄膜在高等静压作用下加热时的相变过程。结果表明:CsPbI3-xBrx薄膜在常压下加热时钙钛矿相保持稳定,但在高压下加热至120℃时开始向非钙钛矿相转变。如果表面覆盖硅片,则在高压下加热至120℃时发生部分相转变,非钙钛矿相在180℃后又完全转变回钙钛矿相。(2)高质量CsPbI3-xBrx准单晶薄膜的制备及其光电性能研究为了提高薄膜质量,我们提出了压力辅助离子扩散(PAID)方法,制备了高质量的CsPbI3-xBrx准单晶薄膜。从结构测试结果发现:用PAID方法制备的CsPbI3-xBrx薄膜晶粒粒度大、缺陷密度低、取向性强、晶界深度融合。利用这种薄膜制备的光电探测器具有优良的性能:在532nm激光激发下,探测器的开关比高达5.75×105,响应度达到了4.67×103 mA/W,探测率 4.7×1013 Jones。(3)CsPbI3-xBrx薄膜非线性光学性质研究及近红外光电探测器研制利用PAID方法制备的CsPbI3-xBrx薄膜具有缺陷密度低、结晶和取向性高、表面平整度高、晶界高度融合等优点,我们对其非线性光学特性进行了研究。利用开孔Z扫描技术,测试并计算得到薄膜的双光子吸收系数(β)为0.94257 cm GW-1。由于该薄膜良好的双光子吸收特性,进而实现了对近红外区域(如1030nm)的高灵敏度的光电响应。
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