Enhancement of photoresponse in self-powered perovskite photodetector using zinc-tin-oxide electron transport layer

Abstract

The importance of the self-powered photodetector has risen as a next-generation device that converts the light signal to an electrical signal, without supplying external power. For the absorption materials for the self-powered photodetector, lead-free halide double perovskite Cs2AgBiBr6 film has attracted great attention due to its stability, non-toxic and solution-processable properties. However, the bare perovskite film-based photodetector shows a high dark current originating from defect and surface recombination state resulting in high noise and power consumption. By introducing an electron transport layer (ETL), the photogenerated electron-hole pairs can be extracted effectively and the defect density in perovskite film can be reduced. As a material for ETL, zinc-tin-oxide (ZTO) is a promising candidate due to its easiness of controlling chemical composition, high stability, and high conductivity. In this thesis, I fabricated the self-powered Cs2AgBiBr6 perovskite photodetector using ZTO ETL to enhance the photoresponse of the Cs2AgBiBr6 perovskite photodetector. To investigate the effects of the ZTO ETL on the photodetector, photoluminescence (PL) and space-charge-limited-current (SCLC) analyses were conducted. The Cs2AgBiBr6 photodetector with ZTO ETL showed a decreased dark current and enhanced photoresponse, by extracting photogenerated electrons effectively and reducing the defect density in perovskite film. The Cs2AgBiBr6/ZTO photodetector showed 15.6 times higher on-off ratio and 5.8 times enhanced specific detectivity at zero bias conditions than the bare Cs2AgBiBr6 photodetector without the ETL. The suggested ZTO ETL can be applied to various perovskite optoelectronic devices. | 외부 전원의 공급없이 빛을 전기 신호로 변환하는 자가구동 광검출기의 차세대 소자로써의 중요성이 높아지고 있다. 자가구동 광검출기의 흡수층 물질로 무연 할라이드 더블 페로브스카이트 필름은 뛰어난 안정성과 무독성 및 용액 기반 공정으로 많은 관심을 받았다. 그러나 단일 페로브스카이트 필름 광검출기는 필름의 결함과 표면 재결합에 의해 높은 암전류를 보인다. 전자수송층을 도입함으로써, 광생성된 전자-정공쌍을 선택적으로 추출할 수 있으며 페로브스카이트 필름의 결함 밀도 또한 감소시킬 수 있다. 이러한 전자수송층의 물질로 아연-주석산화물은 화학 조성 변경이 용이하고, 높은 안정성과 전도성을 가지는 유망한 후보이다. 본 연구에서는 페로브스카이트 광검출기의 광반응을 향상시키기 위해 아연-주석산화물 전자수송층을 사용한 자가구동 페로브스카이트 광검출기를 제작하였다. 아연-주석산화물 전자수송층의 효과를 고찰하기 위해, 광발광 및 공간전하 제한 전류 분석이 수행되었다. 아연-주석산화물 전자수송층이 도입된 페로브스카이트 광검출기는 광생성된 전자를 효과적으로 추출하고 페로브스카이트 필름의 결함이 감소됨으로써 감소된 암전류와 향상된 광반응을 보였다. 페로브스카이트/아연-주석산화물 광검출기는 단일 페로브스카이트 광검출기보다 15.6 배 높은 온-오프 전류 비율과 5.8 배 향상된 비검출능을 나타내었다. 본 연구에서 제안된 아연-주석산화물 전자수송층은 다양한 페로브스카이트 기반 광전자 소자로 응용될 수 있다.