MAPbCl3单晶光电探测器的制备及表征

于 吉, 郑 杰, 黄永涛, 屈艳梅

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

0 引 言

近年来,金属-卤化物钙钛矿成为光电探测领域的研究热点,在太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器和晶体管等领域有着广泛的应用[1-2]。它的应用在很大程度上依赖于高质量材料的生长,这些材料具有低陷阱密度、高载流子迁移率和长的载流子扩散长度等优点[3-4]。

目前,困扰钙钛矿基探测器的主要问题就是单晶的质量和生长速率[5-7]。Dang等[8]使用底部籽晶法制备得到了1.2 cm×1.2 cm×0.8 cm的MAPbI3(CH3NH3PbI3)单晶。相对于缓慢蒸发法,底部籽晶法的生长质量更高,并且控制更加精确。Dong等[9]使用顶部籽晶法同样制备了大块的MAPbI3单晶,其过程与底部籽晶法类似。反向升温法也是目前研究人员使用较多的一种方法,是目前生长单晶最快的一种方法。Liu等[10]使用反向升温法制备了质量更高的MAPbCl3单晶。目前研究阶段,有机—无机钙钛矿光电探测器的研究主要集中在MAPbI3和MAPbBr3[11-13],而MAPbCl3单晶相对研究较少。MAPbCl3单晶相对于其他2种甲胺基铅卤钙钛矿单晶制备更为容易,制备成本也相对低廉。因此,本文使用反向升温法制备了MAPbCl3单晶,在其表面利用真空热蒸发法蒸镀上Au对称叉指电极,制备成光电探测器件对其进行表征。

1 实验部分

1.1 MAPbCl3单晶的生长

在目前报道中,反向升温法制备单晶时间快,生长得到的单晶质量高,性能好[14],其主要是由于MAPbCl3材料在DMSO和DMF中特殊的逆溶解度,随着温度升高,溶解度降低。本文通过采用反向升温法制备得到大块MAPbCl3单晶。具体流程如下:

使用电子天平称量22.248 g氯化铅和5.4 g甲胺盐酸盐,溶解在DMSO和DMF各40 ml的混合溶液中。搅拌至澄清后放入结晶皿,在油浴锅中升温25～60 ℃,具体升温过程如图1所示。

图1 升温过程图Fig.1 Heating process

1.2 MAPbCl3单晶光电探测器的制备

将生长出的MAPbCl3单晶用正己烷清洗,去除表面前驱体溶液残留,保证单晶表面光滑平整。利用真空镀膜机在单晶表面蒸镀上Au的叉指电极。指间距为200 μm,指宽为50 μm。器件结构如图2所示。

图2 器件结构图Fig.2 Device structure

2 结果与讨论

2.1 MAPbCl3单晶的形貌结构和性能表征

图3为MAPbCl3单晶的光学照片和SEM电镜照片,从图3中可以观测到,所制备的MAPbCl3单晶为8 mm×8 mm×3 mm立方晶体,表面光滑平整,没有明显孔洞,质量良好。

图3 (a) 单晶光学照片; (b) 单晶微观形貌Fig.3 (a) Single crystal optical photo; (b) single crystal micro morphology

图4为MAPbCl3单晶的吸收透射图谱。在实验中,采用紫外可见光分光光度计在光波长300～1 000 nm进行表征。从图4中可以看出,晶体在紫外光和紫光波段中都表现出了很强的吸收,光谱显示出清晰的带边缘切边,同时对波长大于吸收边的光波段光线有较好的透过性,表明制备的晶体是高质量的且具有较低的缺陷浓度,测得的吸收边在430 nm左右,与之前文献报道吻合。

图4 吸收透射图谱Fig.4 Absorption transmission spectrum

2.2 MAPbCl3单晶光电探测器的器件特性

为了评估所制造的器件在不同照明波长下的响应,使用氙灯作为入射光源,测量了器件入射光在300～600 nm不同电压下的光响应。从图5中可以看出,该器件的响应峰位于415 nm波长处,与上述吸收光谱吻合。随着施加电压从1 V逐渐升至5 V,该器件在415 nm的峰值响应度从0.30 mA/W增大到了1.24 mA/W。

图5 器件不同照明波长下的响应度Fig.5 The responsivity of the device under different illumination wavelengths

外部量子效率可以用来表征探测器的转换效率,通过以下公式可以得到该光电器件的外部量子效率:

(1)

如图6所示,在5 V的偏压下,在入射光波长为415 nm时,探测器外量子效率约为3.1%。

图6 不同偏压下的探测器的外量子

图7为探测器在循环光照下的I-t图。从图中可以看出,在5 V偏压下,器件的稳定性较好。

图7 探测器在循环光照下的I-t图

3 结 论

利用反向升温法制备了MAPbCl3单晶,对其微观形貌和吸收透射能力进行了分析。同时,使用真空热蒸发法在单晶表面蒸镀上Au的叉指电极,进行了响应度、外量子效率、I-t曲线的测试。研究结论如下:

1) 所制备的MAPbCl3单晶为8 mm×8 mm×3 mm立方晶体,表面光滑平整,没有明显孔洞,质量良好。在紫光和紫外波段中都表现出了很强的吸收;

2) 随着施加电压从1 V逐渐升至5 V,该器件在415 nm的峰值响应度从0.30 mA/W增大到了1.24 mA/W。在5 V的偏压下,在入射光波长为415 nm时的探测器外量子效率约为3.1%。在循环光照下,器件的稳定性较好。