我所研制出多英寸钙钛矿单晶并应用于自驱动集成光探测器研究

  近日,我所薄膜太阳电池研究组(DNL1606)刘生忠研究员团队与陕西师范大学材料科学与工程学院刘渝城研究员、美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授合作,研发一种有效的晶体生长策略来制备尺寸高达几个英寸的高质量多元混合离子钙钛矿单晶,并利用这种大尺寸纯相的钙钛矿单晶设计制备了自驱动集成光探测器。

  在FAPbI3钙钛矿中掺入铯离子、甲胺离子和溴离子,可以形成多阳离子及多卤素离子的钙钛矿(FAMACs),这种结构的钙钛矿目前被证明是高效的光伏光电器件的最佳组成,因为这种钙钛矿相对更稳定,离子迁移小,能够有效降低器件中的迟滞现象,具有更高器件稳定性。然而,不同的研究团队报道的基于FAMACs的高性能器件中,几种离子的组成和比例不尽相同,尤其是铯离子的相对含量。此外,对于这种多成分钙钛矿,在结晶过程中容易出现相分离而形成黄色的非钙钛矿相,该成分的存在将会形成缺陷俘获或散射中心,从而影响器件性能。

  基于以上问题,该合作团队选用还原剂(甲酸)来抑制晶体生长过程中的相分离,进而制备了大尺寸的三阳离子混合卤化物钙钛矿单晶。这种基于还原剂策略稳定生长的钙钛矿单晶具有相对更长的载流子寿命,更高的电荷迁移率,更长的载流子扩散距离,以及优异的均匀性和长期稳定性,因此基于该高质量的钙钛矿单晶设计制备的自驱动光探测器具有响应率高,光电导增益大,探测率高,以及响应速度快等优点。此外,基于该单晶制备的12×12像素探测器阵列具有均匀的光响应,因此对一个2×2像素的阵列进行选择性辐照时在像素之间显示出良好的分辨力。这种设计为钙钛矿自驱动集成电路成像应用开辟了一条新途径。

  相关成果近期发表在Science Advances上。该工作得到了西安交通大学刘明教授团队的支持和帮助,以及国家自然科学基金项目、中国国家重点研究与发展计划项目、陕西省科技创新引导项目等项目的资助。(文/图 刘渝城、段连杰)

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