摘要
金属卤化物钙钛矿(MHPs)在太阳能电池、发光二极管和太阳能燃料的应用中已成功地用于光子与电荷的转换1，2，3.所有这些应用都需要强光。在这里，我们证明了自供电的多晶钙钛矿光电探测器在光子计数方面可以与商用硅光电倍增管(SiPMs)相媲美。钙钛矿光子计数探测器(PCDs)的光子计数能力主要由浅阱决定，尽管深阱也会限制电荷收集效率。在三碘化铅多晶甲基铵中发现了两个能量深度为5.8±0.8毫电子伏(meV)和57.2±0.1毫电子伏(meV)的浅陷阱，它们主要停留在晶界和表面。我们发现，这些浅层陷阱可以通过二苯基硫化物的晶粒尺寸增强和表面钝化来减少。它极大地抑制了黑暗计数率(DCR)从每秒每平方毫米(cps mm) 20万计数−2)至2cps mm−2在室温下，能够比sipm更好地响应弱光。与SiPMs相比，钙钛矿型PCDs能够以更好的能量分辨率收集γ射线能谱，并在高达85°C的高温下保持性能。钙钛矿探测器的零偏置工作使得噪声和探测性能无漂移。本研究开辟了钙钛矿光子计数的新应用，利用其独特的缺陷特性。
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致谢
这项工作主要由美国国防部国防威胁减少局提供支持。hdtra1 - 20 - 2 - 0002。我们感谢美国国立卫生研究院在1R01EB033439奖下对使用钙钛矿型PCDs表征闪烁体的支持。该设备制造工作得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室(EERE)根据太阳能技术办公室(SETO)协议编号DE-EE0009520的部分支持。该缺陷表征部分得到了混合有机无机半导体能源中心(choice)的支持，该中心是由美国能源部科学办公室基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心。本文所表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。
作者信息
作者及单位
贡献
J.H.构思并监督了这个项目。yz制作了探测器并对其性能进行了表征。C.F.对设备优化做出了贡献。M.A.U.伪造FA0.7妈0.3PbI3.设备。L.Z.进行了SEM表征。z.n进行了tDOS和DLCP测量。J.H.和Y.Z.撰写了这篇论文，所有作者都对其进行了评审。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益冲突。
同行评审
同行评议信息
自然感谢匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意b施普林格《自然》杂志对已出版的地图和机构的管辖权要求保持中立。
扩展数据图和表
图1典型FA的光子计数性能0.7妈0.3PbI3.太阳能电池。
一个,典型的jvFA曲线0.7妈0.3PbI3.太阳能电池。b，光子计数测量系统原理图。CSP表示电荷敏感前置放大器。c， FA的光子计数性能0.7妈0.3PbI3.太阳能电池。
图2二苯硫醚表面钝化。
钙钛矿薄膜的SEM图像一个)和(b二苯硫醚表面钝化。比例尺为500 nm。PL光谱(c)及TRPL (d)3.用二苯基硫化物钝化或不采用二苯基硫化物钝化的一步法在玻璃上沉积薄膜。e一步处理MAPbI的光子计数性能3.用二苯硫醚钝化。f，一步处理MAPbI的DCR3.有或没有二苯基硫化物钝化的装置。
图3 MAPbI的XRD谱图3.电影。
一步法和两步法钙钛矿膜的XRD谱图。
图4两步MAPbI的光子计数性能3.不同钝化浓度的器件。
一个每脉冲11,511个光子的响应。b不同二苯硫醚表面钝化浓度器件的EQE。
图5钙钛矿型PCDs的tDOS。
用热导纳光谱法测量了一步、两步和两步钝化工艺制备的钙钛矿型PCDs在黑暗条件下的tDOS。
图6温度相关的DCR。
一个二步钝化钙钛矿型PCDs的温度依赖DCR退火时间较长。b典型的两步钝化钙钛矿PCD的温度依赖DCR。误差条是三次测量的标准偏差。
图7钙钛矿型PCDs的分流电阻。
一个一步、两步和两步钝化后的暗电流曲线3.设备。实线是提取分流电阻的拟合线。一步、两步和两步钝化后的分流电阻3.设备为10964 MΩ mm2， 8,887 MΩ mm29523 MΩ mm2,分别。的电流-电压分流电阻测定曲线由Keithley 4200A-SCS参数分析仪在黑暗中获取。b，噪音底电流-电压测量系统。通过移除扫描装置来测量噪声底限电流-电压测量。
图8硅二极管(S2387 from Hamamatsu)的性能。
一个硅S2387二极管的照片。b，硅光电二极管的光电流和暗电流密度曲线。c，硅光电二极管的EQE。d，光电二极管的分流电阻。e，收集的DCR用于光电二极管检测器，在零偏下测量60 s。f，在具有光子数的入射光脉冲下测量的零偏置硅二极管输出。光子计数性能测量的光源是来自堀场的630纳米皮秒脉冲激光器。
图9单晶砷化镓光电探测器的性能。
一个单晶砷化镓太阳能电池照片。b、光电流密度曲线和暗电流密度曲线。c，砷化镓太阳能电池的EQE。d，砷化镓太阳能电池的分流电阻。e，在零偏下测量60 s的砷化镓探测器收集的DCR。f，光子数高达260,383的入射光脉冲下零偏置测量的砷化镓探测器输出。光子计数性能测量的光源是来自堀场的630纳米皮秒脉冲激光器。
图10 InGaN PN二极管(GVGR-T11GD来自GENUV, Inc.)的性能
一个InGaN二极管的照片。b， InGaN二极管的光电流和暗电流密度曲线。c， InGaN二极管的EQE。d， InGaN光电二极管的分流电阻。e，在零偏下测量60 s，为检测器收集DCR。f，带光子数的入射光脉冲下测量的零偏置InGaN二极管输出。用于光子计数性能测量的光源是来自堀场的404 nm皮秒脉冲激光器。
图11与LaBr耦合的PCDs采集的光谱3.: Ce闪烁体。
137在相同的实验条件下，钙钛矿PCD在零偏置和29 V SiPM下采集的Cs γ射线能谱。
图12钙钛矿型PCDs与CsI(Tl)闪烁体耦合的稳定性研究。
137在相同实验条件下，钙钛矿PCD在零偏置下采集的Cs γ射线能谱，每周一次，持续8周。
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关于本文
引用本文
周勇，费C，乌丁，M.A.et al。自供电钙钛矿光子计数探测器。自然(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05847-6
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05847-6
