钙钛矿光电探测器实现眩光适应的漫反射成像 | Sci. Bull.

研究背景

钙钛矿成为近些年光电领域的宠儿，被广泛应用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域。然而，由于钙钛矿的含铅、稳定性差等问题阻碍了其商业化进展。全无机非铅钙钛矿的光电转换效率低，在太阳能电池领域的发展受到严重限制，但是其优异的稳定性和非铅无毒特性使得其在光电探测领域具有重要的应用前景。目前钙钛矿光电探测器在成像领域进展缓慢，首先是因为高密度钙钛矿光电探测器阵列制备复杂，并且与传统硅基探测器阵列的制备工艺不兼容；其次，目前很多钙钛矿探测器成像工作中使用的是透射成像模式，但在现实中，主流的光学成像(如照相机、扫描仪)是漫反射模式。漫反射成像方式对光电探测器性能的要求更高，因为漫反射光通常比入射光弱2~3个数量级。同时，样品光滑的表面也不可避免地会产生眩光。这意味着，光电探测器必须有较宽的动态范围，才能在漫反射成像中同时检测弱光和强光；更重要的是，由噪声导致的光电流波动性会严重影响测量精度(尤其是在弱光条件下)，降低探测器成像能力。以往工作常用探测率(detectivity)来评价探测器灵敏度，但限于实验条件，很多研究者采用简化的公式测算探测率，此时只关注散粒噪声而忽视其他噪声来源，造成测算到的探测率与真实值相差较大。并且，真实的探测率也不能准确评价评价探测器的成像能力及图像质量。

研究进展

近日，暨南大学麦文杰课题组在Sci. Bull. 发表文章，针对以上问题展开了细致的研究。该工作首次制作了一种Cs₃Bi₂Br₉无铅钙钛矿光电探测器，并建立了基于漫反射成像模式的成像系统原型。此外，该研究还提出了一个与光电流波动特性相关的新参数F来评价光电探测器在弱漫射光条件下的成像性能，并通过对未优化的Cs₃Bi₂Br₉钙钛矿光电探测器和原子层沉积(ALD)氧化钛优化后的Cs₃Bi₂Br₉钙钛矿光电探测器进行对比，证明了该参数的适用性。ALD氧化钛薄膜可以有效提升钙钛矿膜的质量，抑制探测器的暗电流大小和光电流波动性。最后，获得了具有大动态范围的二维和三维物体漫反射图像。该论文的第一作者博士后计钟主要搭建了成像平台并做了相关成像实验，共同第一作者博士生刘于金构建了钙钛矿光电探测器并对其进行了详细的表征。

图文简介

图1 钙钛矿薄膜的制备过程

图1展示了Cs₃Bi₂Br₉钙钛矿薄膜的制备流程及相关表征数据，研究发现对FTO衬底进行预ALD-TiO₂薄膜的沉积可以有效提升钙钛矿薄膜的质量。

图2 ALD-TiO₂优化和未优化Cs₃Bi₂Br₉钙钛矿光电探测器的性能表征

(a)   探测器的器件结构，光是由底部进行照射。(b)优化不同厚度的氧化钛薄膜光电探测器的光

电流和暗电流的统计数据，发现器件性能对氧化钛薄膜在5-20nm厚度范围内并不敏感。(c, d)两种器件的暗态和光照情况下的I-V曲线。(e) 显示了优化后的器件表现出更加优异的开关特性。

图3 探测器的性能表征

图3表明器件优化后，其线性动态范围可以提升至128.6 dB。响应度在弱光下为6 mA/W，探测率可以达到3.2×10¹¹琼斯。其可探测的光谱范围为300-550 nm。此外该探测器还具有较快的响应速度。

图4 稳定性测试

(a)   钙钛矿薄膜在空气中放置30天的吸收光谱，可以发现几乎没有变化，说明该薄膜具有较优

异的稳定性。(b) 器件的在30天内光电流和暗电流的统计数据，可以发现保持在正常的波段范围内。(c) 器件的工作稳定性，工作了18000次循环后仍然保持优异的开关特性。

图5 漫反射成像模式原理图

图5是钙钛矿探测器漫反射成像应用原理图，反映了从入射光到发生漫反射，再到经过光学透镜系统，再被钙钛矿探测器接收，最后被用来重建图像的数据流程。

图6 探测器F参数分析

图6是该探测器的F参数分析图。(a，b) 未优化与优化后的Cs₃Bi₂Br₉光电探测器在不同光强下的电流曲线。可以明显看出未优化的器件电流波动性更大。(c) 对应的F参数图，可以看出F参数能反映探测器的成像能力，其趋势与实际图像相符合(d).

图7 成像结果图

图7是二维和三维物体漫反射图像，可以看出二维物体（打印纸）图像质量已接近商用扫描仪，而三维物体（长城纪念章）的图像具有较大的动态范围。

文章信息：[点击下方阅读原文]

Zhong Ji, Yujin Liu, Wanjun Li, Chuanxi Zhao, Wenjie Mai. Reducing current fluctuation of Cs₃Bi₂Br₉ perovskite photodetectors for diffuse reflection imaging with wide dynamic range. Science Bulletin, 2020, 65(16): 1371-1379. https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.04.018

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