澳门大学邢贵川教授&南京工业大学陈永华教授：基于纯相二维钙钛矿薄膜的高性能柔性光探测器

High-performance flexible perovskite photodetectors based on single-crystal-like two-dimensional Ruddlesden–Popper thin films

Chao Liang, Hao Gu, Junmin Xia, Tanghao Liu, Shiliang Mei, Nan Zhang, Yonghua Chen*, Guichuan Xing*

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.251

研究背景

二维Ruddlesden−Popper钙钛矿由于同时具有优异的光电性能、高的环境稳定性、可溶液加工等特点，因此吸引了越来越多的关注。但是基于溶液旋涂法很难实现纯相二维薄膜的可控制备，从而限制其在光电器件中的广泛应用，尤其是对于高性能光探测器。如何获得纯相的二维钙钛矿薄膜以及如何将其应用于高效柔性光探测器件，一直是领域难题。

基于此，澳门大学邢贵川教授&南京工业大学陈永华教授通过前驱体设计和工艺调控，基于溶液旋涂法实现了层数可调的纯相二维钙钛矿薄膜，并成功应用于高效的柔性光探测器件。该成果以“High‐performance flexible perovskite photodetectors based on single‐crystal‐like two‐dimensional Ruddlesden–Popper thin films”为题发表在Carbon Energy上。

亮点

1. 设计前驱体溶液，调控分子间相互作用，实现纯相二维钙钛矿薄膜的可控制备；

2. 纯相二维钙钛矿有效抑制离子迁移，降低薄膜的缺陷态浓度；

3. 实现高性能稳定的柔性二维钙钛矿光探测器。

主要内容

1. 薄膜光学特性

作者对比了碘化丁胺前驱体薄膜和醋酸丁胺前驱体形成薄膜的光学特性。从瞬态吸收光谱和稳态荧光光谱表征可以看出，传统的碘化丁胺前驱体形成了混合相的二维钙钛矿薄膜，而醋酸丁胺前驱体实现不同n值纯相二维钙钛矿薄膜。

图 1 基于碘化丁胺前驱体和醋酸丁胺前驱体薄膜的瞬态吸收光谱和稳态荧光光谱表征

2. 二维钙钛矿光探测器

基于不同n值的纯相二维钙钛矿光探测器展示了优异的光电性能。纯相器件的光电流、开关比、响应率、探测率都高于非纯相器件。

图 2 光探测器性能表征

3. 光电响应机理研究

纯相器件的光响应速率明显快于非纯相器件。通过DFT计算可以看出，纯相薄膜的离子迁移的活化能明显高于非纯相薄膜。作者认为抑制的离子迁移和降低的缺陷态浓度共同提升了光电探测器性能。

图 3 器件的响应时间和离子迁移

4. 柔性器件

制备的纯相柔性二维钙钛矿光探测器在保证高效的同时具有良好的稳定性和抗弯折性。

图 4 柔性二维钙钛矿光探测器

总结

综上所述，作者通过调节前驱体的分子间相互作用，制备了n值可调的纯相二维钙钛矿薄膜。基于这些纯相二维钙钛矿薄膜制备的光探测器展示了大于3×10⁴的开关比、16 A/W的响应率和3×10¹³ Jones的探测率。此外，柔性器件也表现出了优异的光电性能和超高的稳定性。这一研究不仅提供了一种制备高效光探测器的方法，而且为其他光电器件的应用提供了新的思路。

相关论文信息

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论文标题：

High-performance flexible perovskite photodetectors based on single-crystal-like two-dimensional Ruddlesden–Popper thin films

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.251

DOI:10.1002/cey2.251

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