Z907染料表面功能化提升无铅Cs3Bi2I9钙钛矿自供电光电探测器性能的界面工程研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Surface functionalization of lead-free Cs 3Bi 2I 9 perovskite films with the ruthenium dye Z907 enables photoinduced charge separation and self-powered photodetection

本研究发现通过Z907染料对无铅Cs3Bi2I9钙钛矿进行表面功能化，可重构其电子结构（KPFM显示费米能级下移300 mV），实现能带对齐（SPD）并加速空穴提取（IMPS显示电荷转移时间降低一个数量级）。该界面工程使零偏压响应度/探测率提升2-3倍，并通过8位ASCII光脉冲编码验证了其在可见光通信（VLC）中的应用潜力。

　　

结果与讨论

如图1a和b所示，SEM图像显示Cs₃Bi₂I₉薄膜具有均匀覆盖的纳米晶体结构，但存在晶间空隙。通过旋涂Z907染料后（图1c和d），薄膜形貌保持完整（后续AFM分析进一步证实）。表面粗糙度（R_a≈12 nm）未发生显著变化，但空间电荷限制电流（SCLC）测试表明陷阱态被有效钝化。开尔文探针力显微镜（KPFM） mapping揭示了300 mV的费米能级下移，使Cs₃Bi₂I₉的价带与P3HT的最高占据分子轨道（HOMO）对齐，为空穴提取打开高效通道。Cs₃Bi₂I₉/Z907/P3HT异质结产生325 mV的表面光电压（SPV），并将上升/衰减时间常数从496/313 ms缩短至285/286 ms。瞬态表面光电压（TSPV）曲线出现极性反转、7倍SPV放大及延长衰减尾迹，证明载流子流向被重构且陷阱辅助回传被抑制。动态强度调制光电流谱（IMPS）显示电荷转移时间降低一个数量级，高频相位角显著增大，证实界面空穴提取加速且复合电阻降低。这些动力学改进使零偏压响应度和探测率比原始薄膜提高2-3倍，器件可通过二进制光脉冲清晰编码8位ASCII信号，展现了分子界面工程在能源自主型可见光通信中的潜力。

结论

总之，我们证明通过Z907染料对无铅Cs₃Bi₂I₉钙钛矿薄膜进行简单表面功能化，可借助界面工程显著提升零偏压光电探测性能。Z907层诱导约300 mV费米能级下移及相应能带弯曲，使Cs₃Bi₂I₉价带与P3HT的HOMO能级接近共振，从而实现快速空穴提取并抑制界面复合。KPFM、TSPV和IMPS测试共同揭示了重新定向的载流子传输路径与降低的复合损失，为开发高效自供电光电器件提供了新策略。