Migración de iones a través de la capa de perovskita en dos dimensiones

12 de abril de 2023

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por la Academia China de Ciencias

El dopaje electrostático se ha utilizado ampliamente en materiales de baja dimensión, incluidos los nanotubos de carbono (CNT) y los materiales bidimensionales (2D), como el grafeno y los dicalcogenuros de metales de transición (TMD). A diferencia del dopaje de red convencional con átomos de impurezas, es un desafío lograr el dopaje en materiales a nanoescala debido al espacio físico limitado. El dopaje electrostático abre una vía eficaz para sintonizar los portadores de carga en materiales a nanoescala sin introducir átomos de impurezas, que pueden perturbar la disposición atómica y degradar las propiedades electrónicas intrínsecas de los materiales a nanoescala.

En un nuevo artículo publicado en eLight, un equipo de científicos dirigido por los profesores Sung-Joon Lee y Hung-Chieh Cheng de la Universidad de California en Los Ángeles ha desarrollado un dispositivo de heterounión de perovskita de yoduro de plomo y metilamonio (CH3NH3PbI3)/2DSC.

Recientemente, se han explorado los sólidos iónicos para crear una unión pn en materiales 2D monocapa. Los iones móviles congelados proporcionan campos electrostáticos para modular la densidad de portadores del canal semiconductor 2D subyacente. Debido a la forma bien definida de los sólidos iónicos, el control local del dopaje en semiconductores 2D (2DSC) permite diversos diseños para integrar dispositivos electrónicos/optoelectrónicos de estado sólido con una diafonía mínima.

La manipulación de iones de plata en yoduro de plata superiónico (AgI) de estado sólido se empleó para adaptar el tipo de portador de 2DSC para lograr transistores, diodos, fotodiodos y puertas lógicas programables de forma reversible.

Los TMD monocapa se han adoptado ampliamente en nuevas aplicaciones optoelectrónicas, como diodos emisores de luz (LED) sintonizables eléctricamente, diodos de unión pn controlados por puerta y células solares. Sin embargo, los TMD monocapa exhiben algunos límites intrínsecos para aplicaciones optoelectrónicas de alto rendimiento. La incorporación de dopantes de impurezas en las redes 2D atómicamente delgadas ha estado fundamentalmente limitada por el espacio físico en las redes atómicamente delgadas.

Ha sido un desafío persistente adaptar el tipo/densidad de dopaje de carga en 2DSC monocapa utilizando dopantes de celosía seleccionados. En consecuencia, los fotodiodos pn hechos de 2DSC a menudo están plagados de contactos no ideales en el lado p o n, lo que limita el voltaje de circuito abierto (VOC) alcanzable. Además, la absorción de luz total y la sensibilidad espectral de los 2DSC están limitadas fundamentalmente por su geometría atómicamente delgada. Compromete la eficiencia de generación de fotoportadores y la eficiencia cuántica externa alcanzable (EQE).

Se han dedicado considerables esfuerzos a superar tales limitaciones intrínsecas mediante la integración heterogénea con otros materiales optoelectrónicos bien conocidos. Por ejemplo, se ha demostrado que la interfaz con moléculas de tinte orgánico es una estrategia eficaz para controlar sus propiedades optoeléctricas. Las perovskitas híbridas de haluro de plomo (LHP) han recibido una atención considerable para la energía fotovoltaica debido a su excelente rendimiento optoelectrónico y su bajo costo de fabricación.

A pesar de su extraordinario potencial, los LHP iónicos de "red suave" suelen estar plagados de migraciones de iones bajo polarización de voltaje, lo que conduce a una estabilidad del material deficiente y una gran histéresis en las fotocorrientes dependientes del voltaje. La migración de iones con carga positiva o negativa podría inducir la acumulación de iones o el desequilibrio de la carga iónica bajo campos eléctricos aplicados. Aquí, explotamos tal desequilibrio de carga iónica en LHP para inducir el dopaje reversible en 2DSC cercanos para crear fotodiodos de alto rendimiento.

El yoduro de plomo y metilamonio (CH3NH3PbI3 o MAPbI3) representa el ejemplo más destacado de LHP con excelentes propiedades de absorción óptica y fotorespuesta, pero está gravemente afectado por el movimiento iónico. Aunque no es deseable para el funcionamiento estable de las aplicaciones de celdas solares, la acumulación de carga iónica de la migración de iones inducida por polarización en MAPbI3 puede explotarse para dopar selectivamente los 2DSC cercanos para crear fotodiodos 2D sensibilizados con perovskita con un alto rendimiento optoelectrónico.

En este sentido, los 2DSC atómicamente delgados son ideales para un acoplamiento eficiente con los sólidos iónicos. Sirven como un agente de dopaje no covalente para inducir reversiblemente el efecto de dopaje de tipo p o tipo n reconfigurable. Este efecto de dopaje ajustable ofrece además una nueva clase de fotodiodos basados ​​en 2DSC con polaridades intercambiables. Con la integración de van der Waals de sólidos iónicos con excelentes propiedades optoelectrónicas, los diodos 2D formados a partir del efecto de dopaje iónico proporcionan una manera eficiente de extraer portadores fotogenerados en MAPbI3.

Más información: Sung-Joon Lee et al, Fotodiodos WSe2 sensibilizados con perovskita de haluro de plomo con voltajes de circuito abierto ultra altos, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00040-8

Proporcionado por la Academia de Ciencias de China