具有超高响应率的光电探测器在图像传感、过程控制和安全监控等广泛的实际应用中备受青睐。然而,迄今为止,由于对材料质量的高要求以及传统器件结构在复杂制造工艺上的局限性,以低成本生产超灵敏光电探测器仍然是一个挑战。最近,有机金属卤化物钙钛矿材料的出现极大地激发了这一领域的灵感,这些材料具有ABX3(A=有机分子;B=Pb2+或Sn2+;X=Cl−、I−和/或Br−)的结构。这些材料展现出一系列吸引人的材料特性,包括出色的光吸收能力、宽范围可调的带隙和微米级的载流子扩散长度。这些优异特性可以为大多数光电器件(包括光电探测器、太阳能电池和发光二极管)的性能带来益处。例如,研究人员对基于MAPbI1−xBrx纳米线的光电探测器进行了研究,这些纳米线对400nm至780nm波长的光的响应率高达1.2×104AW−1。钙钛矿材料作为超灵敏光电探测器的优秀构建单元的潜力也得到了证明。然而,与许多报道的超灵敏光电探测器相比,它们的响应率仍然相对较低。由于目前可用的钙钛矿材料的质量已经非常高,因此通过简单地提高钙钛矿薄膜的质量来进一步提高响应率具有挑战性。为此,一种特别有效的方法是将钙钛矿层与其他功能材料进行界面结合。例如,据报道,基于石墨烯/MAPbBr2I混合结构的光电探测器展示了6×105AW−1的光响应率提升。在这种混合结构中,钙钛矿仅作为光吸收介质,而石墨烯则作为有效的电荷传输通道。然而,石墨烯并不是光电探测器的最佳候选材料,因为其高导电性会导致高暗电流,进而导致较低的开/关比和特定探测率。同时,已经证明钙钛矿/MoS2器件结构具有1.94×10^6 AW^-1的光响应率。虽然性能可观,但MoS2和MAPbI3之间仍存在带结构不匹配的问题。因此,必须付出更多努力来寻找合适的材料,以提高钙钛矿光电探测器的性能。
最近,Yan及其团队在这方面取得了显著进展。他们首次报道了基于钙钛矿/有机半导体垂直异质结的低电压、高增益光电探测器,这些探测器在从紫外到近红外的宽带光谱范围内展现出约109 AW−1的高响应度和约1014 Jones的特定探测率。这些优异性能对于基于钙钛矿材料的光电探测器来说是前所未有的,比目前最先进的商用硅光电探测器的性能高出数个数量级,后者的峰值响应度通常低于1 AW−1。图1展示了Yan的超灵敏光电探测器的器件结构和工作机制。通常,该器件的高性能主要归因于显著的光栅效应,这种效应源于钙钛矿/有机层的适当能带对齐,并进一步通过钙钛矿材料的长载流子寿命和强光吸收特性得到增强。特别是,为了制造该器件,通过光刻技术对Cr/Au电极进行图案化处理,随后旋涂PEDOT:PSS和MAPbI3−xClx层。此后,在PEDOT:PSS和钙钛矿层之间形成了垂直型II异质结。在光照下,钙钛矿层中会产生大量光生载流子,其中空穴在上述II型异质结的驱动下从钙钛矿层迁移到PEDOT:PSS层,而电子则留在钙钛矿层中。光生载流子的有效分离可以显著延长载流子寿命,从而使空穴在PEDOT:PSS通道内多次循环,进而实现高光电导增益和响应度。此外,钙钛矿层内积累的电子可以作为负偏置栅电极,这可以进一步延长载流子寿命并提高PEDOT:PSS层中的空穴浓度,从而产生更高的光电导增益和响应度。严及其同事们揭示了他们的光电探测器之所以具有超高响应率和增益,可以归结为以下四个原因:(1)MAPbI3−xClx薄膜的长空穴寿命和扩散长度可以减少钙钛矿层内的复合,从而增强空穴从钙钛矿层向PEDOT:PSS层的迁移;(2)这两种材料的能带对齐使得载流子能够高效分离;(3)MAPbI3−xClx的高介电常数使得在相同的能带弯曲条件下,钙钛矿层内能够积累更多的电荷;(4)PEDOT:PSS层中高空穴迁移率确保了空穴的快速传输,从而提高了载流子收集的效率。这些对器件物理特性的描述非常有用,可以为未来设计超灵敏光电探测器时选择合适的材料提供指导。除了光电探测器的高性能外,低温制造工艺使其与柔性基板兼容。严及其同事已经展示了柔性光电探测器,其响应率高达8.9×108 AW−1,在经过300次弯曲循环后性能仍能保持不变,这表明其具有在可穿戴和柔性电子设备中应用的潜力。This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in the credit line; if the material is not included under the Creative Commons license, users will need to obtain permission from the license holder to reproduce the material. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/